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(科技日报北京11月13日电)

2018年度EAST物理实验持续经历4个多月,相关研究成果于10月22日—27日在印度举办的第27届国际聚变能大会上由等离子体所所长万宝年研究员和运行负责人龚先祖研究员等进行了综述报道,受到国际聚变同行的广泛关注与高度评价。

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这次实验拓展了适应于聚变堆高性能等离子体稳态高约束模式的运行区间,获得的实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件,为未来ITER运行和正在进行的中国聚变工程实验堆CFETR工程和物理设计提供了重要的实验依据与科学支持,迈出了关键一步。

“等离子体中心电子温度达到1亿摄氏度。”短短一句话让网友兴奋了。11月12日,中科院等离子体物理研究所发布消息,EAST核聚变装置在2018年实验中又有突破。

2018年度EAST实现的运行区拓展及能量约束增强因子同ITER基本运行模式的对比。

EAST近年来一直走在国际竞争最前列,在高性能、稳态、长脉冲等离子体研究方面成绩傲人。比如去年EAST创造了“101.2秒高约束模等离子体运行”的稳定时间世界纪录,就引起舆论热议。

等离子体所核聚变研究及EAST装置长期得到发改委、科技部、中科院、国家基金委等项目的资助,以及安徽省、合肥市、合肥综合性国家科学中心等相关部门的大力支持。

核聚变就像氢弹爆炸或太阳内部反应,温度超高,一般容器没法盛放。被寄予最大希望的核聚变实验方案叫“托卡马克”——用超强的磁场约束高温的核燃料。EAST又称东方超环,是中国研制的世界第一个非圆截面全超导托卡马克。它的外形像一个甜甜圈,它使用超导体,以最小的能耗获取最强的磁场。

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相关研究成果是10月下旬在印度举办的第27届国际聚变能大会上公布的,国际同行给予高度评价。11月12日消息在国内发布后被广为转发。

合肥是国家正式批准建设的全国第二个综合性国家科学中心,核聚变能研究是合肥综合性国家科学中心重点聚焦的领域之一,中科院合肥研究院等离子体物理研究所依托国家“九五”大科学装置东方超环全面参与综合性国家科学中心建设,并即将开建国家“十三五”大科学装置聚变堆主机关键系统综合研究设施。EAST是等离子体所自主设计、研制并拥有完全知识产权的磁约束核聚变实验装置,是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克,瞄准未来聚变能商用目标的关键科学问题,近年来在高性能、稳态、长脉冲等离子体研究方面取得了多项原创性成果。

“得到实验结果时,我并没有太激动,因为这是预料之中的。”万宝年说,“这次的实验是我们长期计划中一个点上的阶段性成果。我们更加关注的等离子体综合指标的提升,这个科学价值更高,对未来聚变堆的借鉴意义也更大,但因为太专业,大家对此不是太关注。”

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“描述等离子体的参数很多,比如稳态运行时间、密度、电子温度、离子温度等等,都很重要,我们希望所有的参数同时提高。”中科院等离子体物理研究所所长万宝年告诉科技日报记者,“这次大家关注的‘1亿度’是电子温度。媒体喜欢简化成‘等离子体温度1亿度’,实际上除了电子温度还要看离子温度。”

在射频波加热为主、低动量注入、钨偏滤器等类似未来聚变堆条件下,实现了高约束、高密度、高比压的完全非感应先进稳态运行模式,获得的归一化参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件。同时针对长脉冲稳态高参数运行的关键问题即粒子与热排出,利用多种技术演示了类似ITER运行条件下的边界局域模及钨杂质的控制方法,实现了钨偏滤器高约束模等离子体下稳态热负荷的主动反馈控制。EAST本年度取得的这些实验成果为未来ITER运行和正在进行的中国聚变工程实验堆CFETR工程和物理设计提供了重要的实验依据与科学支持。

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2018年度EAST实现的1亿度等离子体放电。

EAST此次实验的“射频波加热、低动量注入、钨偏滤器”等技术的组合,将为ITER和正在设计中的中国聚变工程实验堆CFETR提供重要的实验依据与科学支持。

EAST继2017年创造了101.2秒高约束模等离子体运行的世界纪录后,2018年度物理实验面向未来聚变堆先进稳态运行模式的发展和长脉冲运行下的关键科学技术问题,重点开展了高功率加热下堆芯物理机制研究的系列实验。通过优化稳态射频波等多种加热技术在高参数条件下的耦合与电流驱动、等离子体先进控制等,结合理论与数值模拟,实现加热功率超过10兆瓦,等离子体储能增加到300千焦;在电子回旋与低杂波协同加热下,等离子体中心电子温度达到1亿度。利用低杂波、电子回旋、离子回旋协同效应与中性束加热的高效集成,优化电流密度分布,开展了平衡和稳定性、约束和输运、等离子体与壁相互作用及高能粒子物理等相关实验研究,有效拓展了适应于聚变堆高性能等离子体稳态高约束模式的运行区间。

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我国大科学装置东方超环EAST继2017年创造了101.2秒高约束模等离子体运行的世界纪录后,2018年实现了加热功率超过10兆瓦,等离子体储能增加到300千焦;在电子回旋与低杂波协同加热下,等离子体中心电子温度达到1亿度。

万宝年说:“实验在8月份就已经完成,但当时没有立即发布,因为确保数据准确需要重新校核所有的测量设备和大量计算。一个手段测量出来的数据,需要用其他手段的测量来验证,并且多种手段的测量结果经过物理计算要自洽。”

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“EAST就好比一个炉子,要让它的内部足够热。一要提高加热效率,二要让热量更慢跑出去。”万宝年说,“炉子越大,越容易提升核心温度。EAST比较小,实现电子温度1亿度比较难;将来ITER(国际热核聚变反应堆)用同样的办法实现2亿度,就容易多了。”

氘和氚发生聚变需极高温度(氢弹用原子弹起爆来点燃)。高温下,物质离散成较轻的电子和较重的原子核-离子(这也是它能被磁场约束的原因)。万宝年说,电子和离子的温度有差异,要用不同技术分别加热,用不同技术分别测量。

值得注意的是,今年实验中,EAST蕴含的能量创了纪录,它通过优化稳态射频波等多种加热、电流驱动技术在高参数条件下的耦合,以及先进等离子体控制技术,实现加热功率超过10兆瓦,等离子体储能增加到300千焦。

此次等离子体中心电子温度达到1亿摄氏度,主要归功于电子回旋与低杂波协同加热两项技术。

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