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中國“人造太陽”刷新世界紀錄 放電脈突破沖百秒量級

從1950年代至今,科學家們一直夢想著將核聚變所產生的巨大能量轉化為清潔、取之不盡的能源來源,科學家們的實踐正縮短著人類與這“理想能源”的距離。

7月5日,中國科學院合肥物質科學研究院(下稱合肥物質研究院)對外宣佈,

該所承擔的國家大科學工程“人造太陽”實驗裝置EAST,在新一輪物理實驗中再獲重大突破,實現了5000萬度等離子體持續放電101.2秒的高約束運行,刷新世界紀錄。

EAST超導托卡馬克實驗裝置實驗負責人龔先祖對中新社表示,在長脈衝穩態高約束運行模式中的最大挑戰是粒子控制和熱排出問題,在成功解決了這些難題後,放電脈衝延長到100秒,

這是EAST新的里程碑。

EAST是中國自行設計、研製的世界上第一個全超導托卡馬克裝置,由“實驗”(Experimental)、“先進”(Advanced)、“超導”(Superconducting)、“托卡馬克”(Tokamak)四個單詞首字母拼寫而成,同時也代表了“東方”的含意。

EAST原名為HT-7超導托卡馬克裝置,於1994年正式提出。2006年,高11米、直徑8米、重達400噸的EAST核聚變實驗裝置成功完成首次工程調試,並於2007年3月通過國家驗收,之後實現多次放電。

隨著科研深入,EAST相繼完成了輔助加熱、鎢偏濾器、等離子體物理診斷等系統的升級改造,克服了加熱與電流驅動、分佈參數測量等關鍵技術難題,深入研究和基本解決了射頻波耦合、高約束等離子體穩定性控制、低動量條件下加熱和電流驅動下輸運等一系列物理問題,為實現長脈衝穩態高約束模等離子體奠定了堅實的基礎。

2012年,EAST物理實驗曾創造32秒高約束模世界紀錄;去年11月,EAST獲得超過60秒的穩態高約束模等離子體放電,成為世界首個實現穩態高約束模運行持續時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。

目前,人類開發核能的途徑主要有兩條——重元素的裂變和輕元素的聚變。利用核裂變原理,人類已建造了幾百個核電站,但對核聚變的利用卻因為核聚變具有很強的不可控制性,

相較落後許多。

人類對聚變反應的控制主要是依靠一種環形容器,通過約束電磁波驅動,創造氘、氚實現聚變的環境和超高溫,實現受控核聚變。這種裝置被稱為托卡馬克,名字來源於其的關鍵字——環形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、線圈(kotushka)。

二十世紀末,科學家們又將新興的超導技術用於托卡馬克裝置,產生了超導托卡馬克裝置。因為仿造的原理是太陽內部的熱核聚變反應,

業內將這種裝置稱為“人造太陽”。

1991年11月,在歐洲聯合環型核裂變裝置上,成功地進行了首次氘-氚受控核聚變試驗,溫度達到3億度,但反應時持續時間卻只有2秒,發出了1.8兆瓦電力的聚變能量。

國際上核聚變實驗裝置大多仍為常規非超導托卡馬克,且等離子體放電持續時間基本都在20秒以下,只有歐盟和日本科學家曾獲得最長為60秒的高參數偏濾器等離子體。

目前,國際上還正進行一項名為“國際熱核聚變實驗堆(ITER)計畫”的專案,該專案相當於EAST裝置的放大工程,建造一個更大規模的“人造太陽”,涉及包括歐盟、中國、美國、日本、俄羅斯等國在內的七方。

中國於2003年加入ITER計畫,並將承擔ITER裝置中137個採購包製造任務的12個,接近總任務量的10%。

穩態高約束運行模式是國際熱核聚變實驗堆(ITER)計畫的基本運行模式,也是未來反應堆需要解決的關鍵科學問題。EAST具有ITER類似的先進技術,未來五年內將是國際上唯一有能力開展超過百秒時間尺度的長脈衝高約束聚變等離子體物理和工程技術研究的實驗平臺,為ITER預演穩態運行是EAST的重要使命。

龔先祖稱,作為國際重要的長脈衝核聚變實驗平臺,EAST超導托卡馬克高約束放電時間實現百秒量級的突破,將為中國下一代核聚變裝置的建設和國際核聚變清潔能源開發利用奠定堅實的技術基礎。

目前,國際上還正進行一項名為“國際熱核聚變實驗堆(ITER)計畫”的專案,該專案相當於EAST裝置的放大工程,建造一個更大規模的“人造太陽”,涉及包括歐盟、中國、美國、日本、俄羅斯等國在內的七方。

中國於2003年加入ITER計畫,並將承擔ITER裝置中137個採購包製造任務的12個,接近總任務量的10%。

穩態高約束運行模式是國際熱核聚變實驗堆(ITER)計畫的基本運行模式,也是未來反應堆需要解決的關鍵科學問題。EAST具有ITER類似的先進技術,未來五年內將是國際上唯一有能力開展超過百秒時間尺度的長脈衝高約束聚變等離子體物理和工程技術研究的實驗平臺,為ITER預演穩態運行是EAST的重要使命。

龔先祖稱,作為國際重要的長脈衝核聚變實驗平臺,EAST超導托卡馬克高約束放電時間實現百秒量級的突破,將為中國下一代核聚變裝置的建設和國際核聚變清潔能源開發利用奠定堅實的技術基礎。