“東方超環(huán)”創(chuàng)造兩項世界紀(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年物理實驗順利結(jié)束。在四個多月的實驗期間，科學(xué)家們創(chuàng)造了兩項托卡馬克運行的世界紀(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間的高溫偏濾器等離子體放電、最長時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)”計劃，該計劃在國際上通稱EAST，即“東方超環(huán)”。

“東方超環(huán)”于2007年建成并開始科學(xué)實驗。在國家科技部ITER專項、國家基金委、中科院等部門的支持下，科學(xué)實驗不斷深入，近年來已吸引大批國外科學(xué)家來華開展科學(xué)實驗，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)實驗以來，超過100位的國外科學(xué)家來華開展廣泛的合作研究。實驗中，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)實驗，取得了一系列新結(jié)果和大量的科學(xué)實驗數(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行方式。我國參加的國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目的首要目標(biāo)是實現(xiàn)400秒的高約束等離子體，但實現(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。本次實驗，我國科學(xué)家針對未來ITER400秒高參數(shù)運行的一些關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，如等離子體精確控制、全超導(dǎo)磁體安全運行、有效加熱與驅(qū)動、等離子體與壁材料相互作用等，開展了全面的實驗研究，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，實現(xiàn)長時間高約束放電一直是國際聚變界挑戰(zhàn)極大的前沿課題。目前正在運行的托卡馬克的高約束放電時間大都在10秒以下。2003年，日本JT-60U裝置（已退役）曾利用強流中性束加熱實現(xiàn)一次28秒的高約束等離子體放電，這是目前放電時間最長的一次。在本輪EAST實驗中，我國科學(xué)家利用低雜波與射頻波協(xié)同方法，實現(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)家所用的方法獨特、經(jīng)濟(jì)、有效，為未來國際熱核聚變實驗堆（ITER）提供了一條高效實現(xiàn)高約束放電的新途徑。