“東方超環(huán)”創(chuàng)造兩項(xiàng)世界紀(jì)錄

吳長鋒

截至7月10日，中科院等離子體所的東方超環(huán)（EAST）超導(dǎo)托卡馬克2012年物理實(shí)驗(yàn)順利結(jié)束。在四個(gè)多月的實(shí)驗(yàn)期間，科學(xué)家們創(chuàng)造了兩項(xiàng)托卡馬克運(yùn)行的世界紀(jì)錄：獲得超過400秒的兩千萬度高參數(shù)偏濾器等離子體；獲得穩(wěn)定重復(fù)超過30秒的高約束等離子體放電。這分別是國際上最長時(shí)間的高溫偏濾器等離子體放電、最長時(shí)間的高約束等離子體放電，標(biāo)志著我國在穩(wěn)態(tài)高約束等離子體研究方面走在國際前列。

托卡馬克是一種利用磁約束來實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)性容器，是由蘇聯(lián)的阿齊莫維齊等人在20世紀(jì)50年代發(fā)明的。中科院等離子體所在成功建設(shè)中國第一個(gè)超導(dǎo)托卡馬克HT-7的基礎(chǔ)上，提出了“HT-7U全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置建設(shè)”計(jì)劃，該計(jì)劃在國際上通稱EAST，即“東方超環(huán)”。

“東方超環(huán)”于2007年建成并開始科學(xué)實(shí)驗(yàn)。在國家科技部ITER專項(xiàng)、國家基金委、中科院等部門的支持下，科學(xué)實(shí)驗(yàn)不斷深入，近年來已吸引大批國外科學(xué)家來華開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)，美國能源部已將EAST列為未來美國磁約束聚變合作的首選裝置。自今年2月開始本輪EAST科學(xué)實(shí)驗(yàn)以來，超過100位的國外科學(xué)家來華開展廣泛的合作研究。實(shí)驗(yàn)中，國內(nèi)外科學(xué)家們圍繞高參數(shù)長脈沖等離子體相關(guān)科學(xué)技術(shù)問題開展了大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，取得了一系列新結(jié)果和大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

據(jù)介紹，高參數(shù)、高約束模式偏濾器等離子體是未來聚變托卡馬克放電的最基本運(yùn)行方式。我國參加的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目的首要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)400秒的高約束等離子體，但實(shí)現(xiàn)該科學(xué)目標(biāo)尚面臨眾多科學(xué)和技術(shù)（物理和工程）上的挑戰(zhàn)。目前，國際上大部分托卡馬克的偏濾器等離子體持續(xù)時(shí)間均在20秒以下，歐盟和日本科學(xué)家曾獲得最長為60秒的高參數(shù)偏濾器等離子體。本次實(shí)驗(yàn)，我國科學(xué)家針對未來ITER400秒高參數(shù)運(yùn)行的一些關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，如等離子體精確控制、全超導(dǎo)磁體安全運(yùn)行、有效加熱與驅(qū)動(dòng)、等離子體與壁材料相互作用等，開展了全面的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了411秒的中心等離子體密度約2×1019m-3、中心電子溫度大于2000萬攝氏度的高溫等離子體。

長期以來，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間高約束放電一直是國際聚變界挑戰(zhàn)極大的前沿課題。目前正在運(yùn)行的托卡馬克的高約束放電時(shí)間大都在10秒以下。2003年，日本JT-60U裝置（已退役）曾利用強(qiáng)流中性束加熱實(shí)現(xiàn)一次28秒的高約束等離子體放電，這是目前放電時(shí)間最長的一次。在本輪EAST實(shí)驗(yàn)中，我國科學(xué)家利用低雜波與射頻波協(xié)同方法，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定重復(fù)的超過32秒的高約束等離子體放電。我國科學(xué)家所用的方法獨(dú)特、經(jīng)濟(jì)、有效，為未來國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）提供了一條高效實(shí)現(xiàn)高約束放電的新途徑。