中国“人造太阳”刷新世界纪录 高约束放电时间突破百秒量级

7月5日,中国科学院合肥物质科学研究院承担的“人造太阳”实验装置EAST,实现了5000万度等离子体持续放电101.2秒的高约束运行。

图片来源:视觉中国

从1950年代至今,科学家们一直梦想着将核聚变所产生的巨大能量转化为清洁、取之不尽的能源来源,科学家们的实践正缩短着人类与这“理想能源”的距离。

7月5日,中国科学院合肥物质科学研究院(下称合肥物质研究院)对外宣布,该所承担的国家大科学工程“人造太阳”实验装置EAST,在新一轮物理实验中再获重大突破,实现了5000万度等离子体持续放电101.2秒的高约束运行,刷新世界纪录。

EAST超导托卡马克实验装置实验负责人龚先祖对中新社表示,在长脉冲稳态高约束运行模式中的最大挑战是粒子控制和热排出问题,在成功解决了这些难题后,放电脉冲延长到100秒,这是EAST新的里程碑。

EAST是中国自行设计、研制的世界上第一个全超导托卡马克装置,由“实验”(Experimental)、“先进”(Advanced)、“超导”(Superconducting)、“托卡马克”(Tokamak)四个单词首字母拼写而成,同时也代表了“东方”的含意。

EAST原名为HT-7超导托卡马克装置,于1994年正式提出。2006年,高11米、直径8米、重达400吨的EAST核聚变实验装置成功完成首次工程调试,并于2007年3月通过国家验收,之后实现多次放电。

EAST装置

随着科研深入,EAST相继完成了辅助加热、钨偏滤器、等离子体物理诊断等系统的升级改造,克服了加热与电流驱动、分布参数测量等关键技术难题,深入研究和基本解决了射频波耦合、高约束等离子体稳定性控制、低动量条件下加热和电流驱动下输运等一系列物理问题,为实现长脉冲稳态高约束模等离子体奠定了坚实的基础。

2012年,EAST物理实验曾创造32秒高约束模世界纪录;去年11月,EAST获得超过60秒的稳态高约束模等离子体放电,成为世界首个实现稳态高约束模运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置。

目前,人类开发核能的途径主要有两条——重元素的裂变和轻元素的聚变。利用核裂变原理,人类已建造了几百个核电站,但对核聚变的利用却因为核聚变具有很强的不可控制性,相较落后许多。

人类对聚变反应的控制主要是依靠一种环形容器,通过约束电磁波驱动,创造氘、氚实现聚变的环境和超高温,实现受控核聚变。这种装置被称为托卡马克,名字来源于其的关键词——环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka)。

二十世纪末,科学家们又将新兴的超导技术用于托卡马克装置,产生了超导托卡马克装置。因为仿造的原理是太阳内部的热核聚变反应,业内将这种装置称为“人造太阳”。

1991年11月,在欧洲联合环型核裂变装置上,成功地进行了首次氘-氚受控核聚变试验,温度达到3亿度,但反应时持续时间却只有2秒,发出了1.8兆瓦电力的聚变能量。

国际上核聚变实验装置大多仍为常规非超导托卡马克,且等离子体放电持续时间基本都在20秒以下,只有欧盟和日本科学家曾获得最长为60秒的高参数偏滤器等离子体。

目前,国际上还正进行一项名为“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”的项目,该项目相当于EAST装置的放大工程,建造一个更大规模的“人造太阳”,涉及包括欧盟、中国、美国、日本、俄罗斯等国在内的七方。

中国于2003年加入ITER计划,并将承担ITER装置中137个采购包制造任务的12个,接近总任务量的10%。

稳态高约束运行模式是国际热核聚变实验堆(ITER)计划的基本运行模式,也是未来反应堆需要解决的关键科学问题。EAST具有ITER类似的先进技术,未来五年内将是国际上唯一有能力开展超过百秒时间尺度的长脉冲高约束聚变等离子体物理和工程技术研究的实验平台,为ITER预演稳态运行是EAST的重要使命。

龚先祖称,作为国际重要的长脉冲核聚变实验平台,EAST超导托卡马克高约束放电时间实现百秒量级的突破,将为中国下一代核聚变装置的建设和国际核聚变清洁能源开发利用奠定坚实的技术基础。

来源:界面新闻

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