近年來，大家經(jīng)常聽到中國科學(xué)院等離子體物理研究所的“東方超環(huán)”核聚變裝置EAST刷新紀(jì)錄的消息。例如，2021年5月28日，EAST實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)的100秒、1.2億度等離子體放電，引起了世界轟動。
EAST裝置物理實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)1.2億度101秒等離子體運(yùn)行
然而，這些成果是怎么取得的呢？媒體一般不講，因?yàn)槠胀ㄈ艘炊晒旧矶家呀?jīng)不容易了，更何況科學(xué)原理。最近，我看到EAST的兩代負(fù)責(zé)人李建剛院士和萬元熙院士在中國工程院院刊《Engineering》的文章《東方超環(huán)托卡馬克》，給出了詳細(xì)的解讀。
《東方超環(huán)托卡馬克》
首先，EAST的基本定位是，世界上第一個全超導(dǎo)托卡馬克。然后，它的目標(biāo)并不是發(fā)生核聚變，放出能量。實(shí)際上，EAST做的只是放電，即制備和控制氫的等離子體。這個等離子體將來可以成為聚變的原料，但現(xiàn)在并沒有發(fā)生聚變。人類現(xiàn)在的問題是對等離子體控制得不好，過不了多長時間能量就泄漏了。所以EAST的任務(wù)是研究如何把等離子體控制好，具體而言包括：一，演示超過1000秒的長脈沖偏濾器運(yùn)行；二，實(shí)現(xiàn)數(shù)百秒的高約束模式運(yùn)行；三，為未來聚變裝置的關(guān)鍵科學(xué)和工程問題提供參考。
EAST超導(dǎo)托卡馬克
為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，EAST開發(fā)了許多重要的技術(shù)，其中三種最關(guān)鍵的技術(shù)是：超導(dǎo)磁體系統(tǒng)、加熱和電流驅(qū)動系統(tǒng)（heating and current drive, H&CD）、主動冷卻偏濾器。下面分別來介紹一下。
一，超導(dǎo)磁體。EAST是全世界第一個在所有磁體上都使用超導(dǎo)材料的全超導(dǎo)托卡馬克，包括提供縱場（toroidal field, TF）的線圈和用于等離子體控制（poloidal field, PF）的線圈。EAST超導(dǎo)磁體系統(tǒng)由16個TF線圈、6個PF線圈和6個中央螺線管（central soliloid, CS）線圈組成。EAST所有磁體都選用了鈮鈦合金（NbTi）作為超導(dǎo)材料。所有線圈均采用了導(dǎo)管內(nèi)電纜（CICC）技術(shù)，以提供非常高的工作電流和足夠的抗交流損耗能力。
EAST的超導(dǎo)磁體：（a）單個TF線圈；（b）超導(dǎo)縱場TF磁體系統(tǒng)
在EAST運(yùn)行的15年中，所有超導(dǎo)磁體都經(jīng)歷了不同的托卡馬克運(yùn)行模式，無一失敗，證明了第一個完全使用超導(dǎo)磁體的托卡馬克的運(yùn)行質(zhì)量和魯棒性。
二，輔助加熱。等離子體的有效加熱和等離子體電流分布控制是聚變應(yīng)用的必要條件。在過去的幾十年里，以下四種主要的H&CD系統(tǒng)在托卡馬克的研究中得到了廣泛的應(yīng)用：離子回旋共振加熱（ICRH）、電子回旋共振加熱（ECRH）、中性束流注入（NBI）和低雜波電流驅(qū)動（LHCD）。大多數(shù)H&CD系統(tǒng)是以短脈沖模式開發(fā)的，只能持續(xù)幾秒鐘。為了實(shí)現(xiàn)EAST的使命，需要新一代具有長脈沖（100~1000 s）的H&CD系統(tǒng)。
穩(wěn)態(tài)低雜波（4.6 GHz/6 MW）系統(tǒng)
EAST研制出了總功率為34 MW的長脈沖H&CD系統(tǒng)，包括一套12 MW的連續(xù)波ICRH系統(tǒng)、一套8 MW的注入粒子能量為50~80 keV的NBI系統(tǒng)、一套140 GHz的4 MW ECRH系統(tǒng)、一套2.45 GHz的4 MW LHCD系統(tǒng)和一套6 MW LHCD 4.6 GHz系統(tǒng)。與其他托卡馬克裝置相比，EAST是唯一一個具有所有4種H&CD系統(tǒng)的長脈沖托卡馬克裝置，它可以提供不同加熱方式和等離子體控制的靈活組合，以促進(jìn)高性能穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。EAST的H&CD系統(tǒng)在國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）和其他大型穩(wěn)態(tài)托卡馬克的技術(shù)開發(fā)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，特別是EAST的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)可以為所有H&CD系統(tǒng)的測試提供一種集成的方法。
三，偏濾器。在長脈沖條件下，等離子體和壁之間發(fā)生的強(qiáng)烈相互作用，以及高熱量和高粒子通量，給聚變反應(yīng)堆帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。對偏濾器靶來說尤其如此，因?yàn)槠珵V器靶的最高熱量和粒子通量都高于材料極限。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，已經(jīng)在EAST中使用了三代偏濾器。
第一代是完全主動冷卻的摻雜石墨面向等離子體組件（PFC）和石墨偏濾器，它的連續(xù)熱排出能力是2 MW m^(-2)。第二代是全鎢偏濾器，其熱流處理能力高達(dá)10 MW m^(-2)。
高性能石墨水冷偏濾器
類ITER鎢串水冷偏濾器
由于實(shí)驗(yàn)的迅速發(fā)展，EAST偏濾器靶板的熱負(fù)荷將很快達(dá)到20 MW m^(-2)。為了滿足未來的需求，我們選擇了一種20 MW m-2超級蒸發(fā)冷卻（hypervapotron）結(jié)構(gòu)的平板（flat-tile）W/Cu偏濾器。該部件承受住了1000次20 MW m^(-2)的高熱負(fù)荷輻照，其表面溫度約為900 ，遠(yuǎn)低于ITER的結(jié)構(gòu)。新的偏濾器于2021年年初在EAST安裝，近半年來進(jìn)行了長脈沖、高熱流實(shí)驗(yàn)，未出現(xiàn)故障。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)將為未來的聚變反應(yīng)堆提供可靠的經(jīng)驗(yàn)。
介紹了這三種關(guān)鍵技術(shù)后，文章結(jié)尾的展望是：
擁有托卡馬克核聚變研究的所有技術(shù)前提設(shè)施（如偏濾器、H&CD系統(tǒng)和長脈沖放電能力）的EAST，使中國磁約束聚變研究處于國際穩(wěn)態(tài)先進(jìn)托卡馬克運(yùn)行領(lǐng)域的前沿。在ITER開始運(yùn)行之前，EAST提供了很多關(guān)于超導(dǎo)系統(tǒng)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)。
在未來幾年里，ITER所需的高達(dá)400秒的高約束模式放電將是EAST的目標(biāo)。在10年的長期計(jì)劃中，隨著H&CD和先進(jìn)診斷技術(shù)的進(jìn)一步升級，EAST將把其先進(jìn)性能運(yùn)行的模式擴(kuò)展到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行區(qū)間，目的是研究未來聚變反應(yīng)堆的條件，如在反應(yīng)堆相關(guān)條件下運(yùn)行數(shù)小時。
