近年來，大家經(jīng)常聽到中國科學院等離子體物理研究所的“東方超環(huán)”核聚變裝置EAST刷新紀錄的消息。例如，2021年5月28日，EAST實現(xiàn)了可重復的100秒、1.2億度等離子體放電，引起了世界轟動。
EAST裝置物理實驗實現(xiàn)1.2億度101秒等離子體運行
然而，這些成果是怎么取得的呢？媒體一般不講，因為普通人要看懂成果本身都已經(jīng)不容易了，更何況科學原理。最近，我看到EAST的兩代負責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托卡馬克。然后，它的目標并不是發(fā)生核聚變，放出能量。實際上，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行；二，實現(xiàn)數(shù)百秒的高約束模式運行；三，為未來聚變裝置的關鍵科學和工程問題提供參考。
EAST超導托卡馬克
為實現(xiàn)這些目標，EAST開發(fā)了許多重要的技術，其中三種最關鍵的技術是：超導磁體系統(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，超導磁體。EAST是全世界第一個在所有磁體上都使用超導材料的全超導托卡馬克，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）作為超導材料。所有線圈均采用了導管內(nèi)電纜（CICC）技術，以提供非常高的工作電流和足夠的抗交流損耗能力。
EAST的超導磁體：（a）單個TF線圈；（b）超導縱場TF磁體系統(tǒng)
在EAST運行的15年中，所有超導磁體都經(jīng)歷了不同的托卡馬克運行模式，無一失敗，證明了第一個完全使用超導磁體的托卡馬克的運行質(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，以促進高性能穩(wěn)態(tài)運行。EAST的H&CD系統(tǒng)在國際熱核聚變實驗堆（ITER）和其他大型穩(wěn)態(tài)托卡馬克的技術開發(fā)中發(fā)揮著關鍵作用，特別是EAST的實驗經(jīng)驗可以為所有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)生的強烈相互作用，以及高熱量和高粒子通量，給聚變反應堆帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。對偏濾器靶來說尤其如此，因為偏濾器靶的最高熱量和粒子通量都高于材料極限。為了實現(xiàn)目標，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
由于實驗的迅速發(fā)展，EAST偏濾器靶板的熱負荷將很快達到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）結構的平板（flat-tile）W/Cu偏濾器。該部件承受住了1000次20 MW m^(-2)的高熱負荷輻照，其表面溫度約為900 ，遠低于ITER的結構。新的偏濾器于2021年年初在EAST安裝，近半年來進行了長脈沖、高熱流實驗，未出現(xiàn)故障。進一步的實驗將為未來的聚變反應堆提供可靠的經(jīng)驗。
介紹了這三種關鍵技術后，文章結尾的展望是：
擁有托卡馬克核聚變研究的所有技術前提設施（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)先進托卡馬克運行領域的前沿。在ITER開始運行之前，EAST提供了很多關于超導系統(tǒng)和穩(wěn)態(tài)運行的經(jīng)驗。
在未來幾年里，ITER所需的高達400秒的高約束模式放電將是EAST的目標。在10年的長期計劃中，隨著H&CD和先進診斷技術的進一步升級，EAST將把其先進性能運行的模式擴展到穩(wěn)態(tài)運行區(qū)間，目的是研究未來聚變反應堆的條件，如在反應堆相關條件下運行數(shù)小時。
