科学普及

全超导托卡马克

一、相关背景

聚变能是一种清洁、无限、安全的新能源，有望彻底解决人类的能源危机。托卡马克（Tokamak）是前苏联科学家于20世纪50年代发明的环形磁约束受控核聚变实验装置。经过近半个世纪的努力，在托卡马克上产生聚变能的科学可行性已被证实，但相关结果都是以短脉冲形式产生的，与实际反应堆的连续运行有较大距离。超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，是受控热核聚变能研究的一个重大突破。超导托卡马克使磁约束位形能连续稳态运行，是公认的探索和解决未来聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。目前建造超导装置开展聚变研究已成为国际热潮。其中国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，简称ITER）计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科技合作项目。中科院等离子体物理研究所是我国热核聚变研究的重要基地，先后建成HT-6B、HT-6M等托卡马克装置。1994年底，成功地建成我国第一台大型超导托卡马克装置HT-7，使我国进入超导托卡马克研究阶段，其后取得的一系列重要研究成果引起了国际聚变界的广泛关注。

二、设施简介

在HT-7成功运行的基础上，大型非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置HT-7U开始建设。1998年7月，原国家计委批复项目建设。2003年10月，HT-7U正式改名为EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）。EAST工程历经5年多的建设于2006年全面、优质地完成。同年9-10月和2007年1-2月EAST装置进行了两次放电调试，成功获得了稳定、重复和可控的各种磁位形高温等离子体。2007年3月1日，EAST项目通过了国家验收。从此，世界上第一个非圆截面全超导托卡马克正式投入运行。

EAST的建设和投入运行为世界稳态近堆芯聚变物理和工程研究搭建起了一个重要的实验平台，使我国成为世界上第一个掌握新一代先进全超导托卡马克技术的国家，为我国磁约束核聚变研究的进一步发展，提升我国磁约束聚变物理、工程、技术水平和培养高水平人才奠定了坚实基础。“EAST非圆截面全超导托卡马克聚变实验装置的研制”项目获得2007年度安徽省科技进步一等奖和2008年度国家科学技术进步一等奖；EAST的成功运行被两院院士评为2006年中国十大科技进展、2006年中国重大技术与工程进展、2006年中国基础研究十大新闻以及中科院2006年十大重大研究成果之首。作为HT-7的升级装置，EAST不仅规模更大，其独有的非圆截面、全超导及主动冷却内部结构三大特性，将更有利于探索等离子体稳态先进运行模式，可以开展稳态、安全、高效运行的先进托卡马克聚变反应堆基础物理和工程问题实验研究，推动等离子体物理学科、相关学科和技术的发展。中国目前正在ITER项目，EAST虽然比ITER小，但位形与之相似且更加灵活。ITER的建设需要10年左右，其间EAST将是国际上极少数可开展与ITER相关的稳态先进等离子体科学和技术问题研究的重要实验平台。

三、运行成果

EAST装置投入运行以来，物理实验取得一系列具有国际先进水平的成果：2009年，获得了稳定、可控、可重复的大于60秒非圆截面双零偏滤器位形等离子体放电，这是国际上第一次分钟级的非圆截面偏滤器高参数等离子体放电。2010年，获得了稳定重复的1MA等离子体放电，实现了EAST的第一个科学目标，这也是目前国际超导装置上所达到的最高参数。2012年，成功实现了411秒、中心等离子体密度约2×1019m-3、中心电子温度大于2000万度的高温等离子体放电，以一个数量级的提升再创国际最长时间记录，同时还获得了大于30秒且稳定可重复的高约束等离子体放电，标志着我国在稳态高约束等离子体研究方面已走到国际前列。这些突破性的进展大大推进了EAST实现其总体科学目标的进程，使EAST的物理实验进入国际先进行列；实验中广泛开展的国际合作，使EAST已成为国际上最重要的高参数长脉冲等离子体物理实验平台。EAST在把我国核聚变研究带进世界先进水平的同时，也为国际热核实验聚变堆ITER和我国未来独立设计建设运行聚变堆逐步地奠定坚实的科学和技术基础。

EAST超导托卡马克装置