淺析EAST托卡馬克及中國核聚變相關(guān)研究

葉華龍

（中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031）

聚變能因其清潔、環(huán)保、安全、原材料儲量極其豐富等優(yōu)點，被認為是人類未來理想的新能源。中國核聚變研究經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，廣大科研工作者弘揚新時代科學(xué)家精神，在40余年的“人造太陽”核聚變征程中，凝聚成了一支特別能戰(zhàn)斗、特別能打硬仗、值得信賴的科研團隊（核聚變大科學(xué)工程團隊），建成并運行了四大托卡馬克裝置等多個國之重器，取得了一系列具有原創(chuàng)性國際領(lǐng)先水平的科研成果，為人類核聚變研究作出了重要貢獻。

1 建成并運行世界首個全超導(dǎo)托卡馬克

1.1 EAST托卡馬克裝置建設(shè)

核聚變大科學(xué)工程團隊建成世界第一個非圓截面全超導(dǎo)偏濾器托卡馬克EAST。它是目前國際上唯一具備與ITER類似條件，相同加熱方式；最有能力在粒子平衡時間尺度上實現(xiàn)長脈沖高性能運行；并挑戰(zhàn)與ITER接近的超過10MW/m2的靶板熱負荷的實驗平臺。建設(shè)初期，EAST項目學(xué)科涉及面廣，技術(shù)難度大，要同時具有上億溫度的“超高溫”、﹣269℃的“超低溫”、“超大電流”、“超強磁場”、“超高真空”等極限條件，許多關(guān)鍵技術(shù)在國際上尚無經(jīng)驗借鑒。EAST項目于1998年立項，2000年正式獲批開工建設(shè)，2005年底完成裝置總裝。關(guān)鍵核心技術(shù)要不來、買不來、討不來的，必須依靠自力更生，依靠科技創(chuàng)新，歷經(jīng)8年，克服重重困難，解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，自主發(fā)展數(shù)十項關(guān)鍵技術(shù)，建成系列子系統(tǒng)，完成裝置建設(shè)并實現(xiàn)工程調(diào)試一次性成功。在裝置研制過程中，還創(chuàng)造了若干重大創(chuàng)新點，如大型超導(dǎo)磁體、超高真空、偏濾器、超導(dǎo)導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)等，填補國內(nèi)空白。

1.2 EAST托卡馬克裝置運行成果

2006年至今，EAST裝置開展了15輪物理實驗，總放電近十萬次，核聚變大科學(xué)工程團隊在EAST裝置物理實驗運行中取得了一系列創(chuàng)新成果。2006-09，EAST首次等離子體放電成功；2010年實現(xiàn)100 s長脈沖等離子體放電；2012年獲得超過400 s的2 000萬度高參數(shù)偏濾器等離子體，獲得穩(wěn)定重復(fù)超過30 s的高約束等離子體放電；2013年與DIII-D裝置首次聯(lián)合實驗獲得成功，探索出一種先進運行模式；2014年首次實現(xiàn)重復(fù)的完全抑制邊界局域模穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體；2016年實現(xiàn)電子溫度超過5千萬攝氏度、持續(xù)時間達102 s的超高溫長脈沖等離子體放電；2017年實現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2 s秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運行世界紀錄。2018年和2019年實現(xiàn)高約束、高密度、高比壓的完全非感應(yīng)先進穩(wěn)態(tài)運行模式和電子溫度1億攝氏度等離子體運行。

針對EAST穩(wěn)態(tài)高約束運行模式發(fā)展需求，在大功率加熱、低動量注入和金屬壁條件下，探索具有穩(wěn)態(tài)高約束性能芯部等離子體且與偏濾器脫靶相兼容的先進運行模式；兼顧發(fā)展包括I-模、混雜運行等多種高約束模式，拓展運行區(qū)間；在類ITER未來運行條件下，集成相關(guān)加熱/加料組合、等離子體控制方法，獲得ITER未來穩(wěn)態(tài)運行模式歸一化參數(shù)范圍的等離子體。開展高約束臺基物理研究，理解臺基結(jié)構(gòu)的動力學(xué)演化以及臺基穩(wěn)定性的問題，探索全金屬壁條件下能較好屏蔽雜質(zhì)的高約束臺基運行區(qū)間。

2 自主研發(fā)聚變工程關(guān)鍵技術(shù)

2.1 樹立中國品牌形象

憑借在托卡馬克裝置上40多年的技術(shù)積累，核聚變大科學(xué)工程團隊讓中國設(shè)計和中國制造應(yīng)用于ITER國際大科學(xué)工程項目。充分發(fā)揮大科學(xué)團隊優(yōu)勢和大科學(xué)文化精神，組建培養(yǎng)了一支矢志創(chuàng)新、敢于挑戰(zhàn)、勇于擔當、追求卓越的ITER大科學(xué)工程團隊，包含科學(xué)家、工程師、加工制造等在內(nèi)，從事國際熱核聚變實驗堆ITER計劃相關(guān)工作的人員約550人。其中100多人先后長期堅守在法國ITER現(xiàn)場，從事設(shè)計、磁體、電源、包層、真空、杜瓦、診斷、加料、控制、調(diào)試以及工程安裝等工作，基本覆蓋了ITER主機的所有核心內(nèi)容。此外，有20余位科學(xué)家先后在ITER國際組織所屬的國際評估組、專家組和工作組中擔任重要職務(wù)。

2.2 創(chuàng)新發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)

承擔導(dǎo)體、校正場線圈、超導(dǎo)饋線、電源、診斷等采購包。承擔的ITER部件研發(fā)任務(wù)做到了100%合格、100%國產(chǎn)化、產(chǎn)品質(zhì)量和進度均處于ITER七方30多個國家之首。修正了原ITER電源、超導(dǎo)饋線等重大系統(tǒng)和部件的不合理設(shè)計，以新的設(shè)計方法以及經(jīng)過實驗驗證的技術(shù)，證明了中國設(shè)計的正確性與合理性，徹底消除ITER未來運行風險，為國家爭取了大量的ITER份額。研制出世界最大電流的高溫超導(dǎo)電流引線，創(chuàng)下了高溫超導(dǎo)電流引線載流能力的世界最高記錄，實現(xiàn)了中國在高溫超導(dǎo)大電流引線領(lǐng)域應(yīng)用零的突破。研制的大電流超導(dǎo)鎧裝導(dǎo)體一次性通過嚴格苛刻的國際驗證，性能居ITER各方之首，并率先交付ITER采購包首件產(chǎn)品。完成聚變特種電源所有關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，建成國內(nèi)最大功率的直流測試平臺。解決了超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)饋線、校正場線圈、內(nèi)部線圈等多項重大工程技術(shù)瓶頸，承擔了相關(guān)采購包的全部任務(wù)。

憑借先進的研發(fā)工藝和質(zhì)量標準，通過國際競標贏得了歐盟無法完成的大型超導(dǎo)磁體PF6建造任務(wù)。總重超過400 t，外徑超過11 m的PF6線圈于2019年研制成功，2020-03由合肥始發(fā)，在克服全球新冠肺炎疫情蔓延、國際物流嚴重受阻、人員防控制約等重重不利影響的因素下，2020-06底PF6順利抵達交付目的地。PF6線圈是ITER裝置主機的最重要部分之一，位于ITER裝置超導(dǎo)磁體的底部，是目前國際上研制成功的質(zhì)量最大、難度最高的超導(dǎo)磁體。PF6線圈所有關(guān)鍵制造工藝及部件全部一次性通過ITER國際組認證，雙餅制造合格率達到100%，超導(dǎo)接頭性能顯著優(yōu)于ITER技術(shù)要求。此外還實現(xiàn)向發(fā)達國家的技術(shù)輸出，部分產(chǎn)品國際市場占有率達到100%。

3 開展全面開放共享的國際合作

3.1 國際前沿的開放實驗平臺

核聚變研究是當今國際科技合作最廣泛的研究領(lǐng)域之一，始終以開放共享為主旋律。核聚變大科學(xué)工程團隊立足開展以我為主的國際合作，與30余個國家和地區(qū)建立了穩(wěn)定合作交流關(guān)系。EAST裝置獨特的性能、開放共享的姿態(tài)和取得的實驗成果，獲得了國際聚變界高度認可，成為國際磁約束聚變裝置中最前沿的國際開放平臺之一。團隊在第14次全球研究基礎(chǔ)設(shè)施高官會議上作開放共享典型案例報告，被評為中國全球開放共享重大設(shè)施的典范，同時被列入金磚國家開放的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施名單。中法雙方成立聚變聯(lián)合實驗室，在EAST和WEST兩大裝置上開展合作研究；中俄合作定期研討會晤，EAST與NICA兩大裝置合作納入中俄政府科技合作內(nèi)容；與歐盟開展全方位合作，已建立超過10個聯(lián)合研究工作組。EAST裝置已是國際上有能力在高參數(shù)條件下開展長脈沖聚變等離子體物理和工程技術(shù)研究的實驗平臺之一，同時是面向國內(nèi)外開放的核聚變實驗平臺和研究中心。

3.2 以我為主的國際合作

核聚變大科學(xué)工程團隊全面參與合肥綜合性國家科學(xué)中心建設(shè)，正在建設(shè)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施聚變堆主機關(guān)鍵系統(tǒng)綜合設(shè)施，建成具有國際領(lǐng)先水平的超導(dǎo)磁體研究系統(tǒng)和主機及偏濾器研究系統(tǒng)。發(fā)起并與歐、美、俄等主要國際聚變研究機構(gòu)成立國際聚變能聯(lián)合中心，聚焦核聚變研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及開展高效務(wù)實合作研究。此外，發(fā)起并推動中國聚變工程實驗堆項目，目前已經(jīng)開展了中國聚變工程實驗堆項目工程設(shè)計和關(guān)鍵部件預(yù)研系列工作，旨在為世界聚變研究作出更多貢獻。

4 推動關(guān)鍵技術(shù)成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化

面向國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場，核聚變大科學(xué)工程團隊在承擔大科學(xué)工程項目中自主發(fā)展的超導(dǎo)、電源、低溫、微波、材料等關(guān)鍵聚變工程技術(shù)，促進了國內(nèi)一批高新技術(shù)企業(yè)的蓬勃發(fā)展。將超導(dǎo)、低溫技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療，研制質(zhì)子治療系統(tǒng)，即世界最緊湊型質(zhì)子治療裝備，可大幅提高中國精準醫(yī)療水平和高端醫(yī)療裝備國產(chǎn)化水平。積極開拓新的研究領(lǐng)域和交叉科學(xué)，確立了低溫等離子體技術(shù)在環(huán)境、新能源、化工、新材料等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。對成熟的成果進行轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，成立公司或參股公司，實現(xiàn)良好經(jīng)濟效益的同時為社會提供眾多就業(yè)崗位。

5 總結(jié)

EAST裝置獨有的非圓截面、全超導(dǎo)及主動冷卻內(nèi)部結(jié)構(gòu)三大特性，可對受控核聚變相關(guān)的前沿物理問題開展探索性的實驗研究，為未來穩(wěn)態(tài)、安全、高效的先進商業(yè)聚變堆提供物理和工程技術(shù)基礎(chǔ)。當前，團隊正在全面提升EAST裝置性能，將進一步大力推進國際合作，針對國際熱核聚變實驗堆ITER和未來聚變工程試驗堆，深入開展近堆芯參數(shù)條件下的長脈沖等離子體物理研究，重點解決適合于未來聚變反應(yīng)堆高約束穩(wěn)態(tài)運行關(guān)鍵物理和技術(shù)問題，為推動國家核聚變能源事業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，為早日實現(xiàn)核聚變能源的開發(fā)利用而不懈奮斗。