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杨文:东方超环实现百秒高约束运行 离“人造太阳”更进一步

2017-07-05 14:11:00

【本文转自微信公众号“科工力量”(ID:guanchacaijing)】

2017年7月3日晚上十点二十左右,从坐落在合肥科学岛的中国科学院等离子体物理研究所传来刚刚得到的试验结果:我国的全超导托卡马克(EAST)东方超环实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行。

(图片来自中国科学院等离子体物理研究所新闻:http://www.ipp.ac.cn/xwdt/ttxw/201707/t20170704_377414.html,基本参数:Ip=0.4MA, Bt=2.5T, PRF=3.0MW, ne=3.0x1019/m3, Te=4.0KeV, H98y2=1.1, USN)

在现有的大型托卡马克核聚变实验装置上,这是第一次,也是世界纪录。此次试验的成功,对国际热核聚变实验堆(ITER)和未来中国聚变工程实验堆(CFETR)建设和运行具有重大意义。

1.什么是高约束运行模式?

有高约束模式自然就有低约束模式,“高”与“低”是约束能力上的相对而言。

无论是“高”还是“低”,外部的辅助加热功率越大,等离子体的能量约束时间都是越短的。但是,高约束模式的衰减率比低约束模式小得多,这个比值用H表示,称为改进因子。也就是说在外部相同的辅助加热功率条件下, 则高约束模式下的能量约束时间是低约束模式下的H倍。

在这次试验中,约束改善因子 H98y2 大于1.1,高于ITER的基准运行模式的 H98=1。

2.为什么要达到高约束运行模式?

像刚才所说,等离子体的能量约束时间是随外部辅助加热功率的增加而缩短的,加热功率越大,等离子体能量损失反而越快。打个比方,就像往一个有漏洞的水缸倒水,倒得越快反而漏的更快,最终的结果就是池子里的水反而变少了。

所以简单来说,在高约束运行模式下,等离子体约束变好了,而且从等离子体损失到第一壁的粒子数减少,从而减少了杂质和能量损失。

而它对于聚变堆来说有更大的意义,因为这可以大幅度降低聚变装置的规模和造价。

在ITER设计过程中,如果是按照低约束模式运行,预计耗资约为100亿美元,因经费巨大而导致计划难以施行;而在此后的重新设计中改为了高约束模式,预计经费也降低到50亿欧元,ITER计划得以开展。

降低难度还省钱,对科学家们来说这简直就是天大的好事。

首次发现高约束运行模式的德国物理学家F. Wagner也因此在2007年获得了由欧洲物理学会等离子体物理分会颁发的阿尔芬奖。

3.为什么这次试验能达到101秒?

由于这次的试验结果还刚刚出来,相关论文要几个月后可能才能见刊,具体细节要到时候才知道。但根据以往的一些文献和报告,还是能推测一些。

2016年4月,万元熙院士在北京大学作报告,内容之一便是EAST的长脉冲H模运行。其中有几个要点:

1. 完全的非感应电流驱动(稳态、环电压为零);

2. 利用低杂波、电子回旋和离子回旋三套加热系统之间的有效耦合,实现纯射频波加热的高约束模加热模式;

3. 在分钟量级验证EAST装置上ITER-like水冷钨偏滤器的运行能力,为ITER钨偏滤器运行提供了重要参考;

4. 实现全程无大幅度边界局域模(ELMs),有效控制偏滤器靶板的峰值热流和钨杂质返流;

这次等离子体所新发的新闻稿也都提到了这几点,相信大的技术路线并没有改变。

4. 本次试验和去年的102秒放电试验有什么区别?

去年102秒放电试验,并不是高约束运行模式,其实验目的是为了实现高电子温度,使中心电子温度超过五千万度。

另外,托卡马克等离子体放电时间和装置的能量约束时间是两个不同的概念,不能混淆。

-----------一点感想-----------

我最初写本文章的时候正好此试验的新闻在新闻联播上播出,从3号晚上得到试验结果到上新闻还不到24小时,报道非常及时。这几年也感觉到科普工作的明显加强,李建刚院士也多次上央视开展科普,这自然对中国的核聚变事业的发展是好事。

去年10月中旬的时候,EAST获得超过60秒的稳态高约束模等离子体,我们想的是什么时候能到70秒。3号晚上群里发出百秒的数据图时,大家又惊又喜,纷纷道贺。

最近几天我国的科技发生了一些令人遗憾的事,希望这次的实验结果能作强心针,振奋人心吧。

EAST介绍

为了在近堆芯的高参数条件下研究等离子体的稳态和先进运行,深入探索实现聚变能源的工程、物理问题,中科院等离子体物理研究所在建成超导托卡马克HT-7的基础上,提出了“HT-7U全超导非圆截面托卡马克装置建设”计划,后更名为EAST。

EAST由实验“Experimental”、先进“Advanced”、超导“Superconducting”、托卡马克“Tokamak”四个单词首字母拼写而成,它的中文意思是“先进实验超导托卡马克”,同时具有“东方”的含意。

EAST大事件

2006年,EAST首次等离子体放电成功

2008年,获得了超过22秒的长脉冲等离子体放电

2009年,获得稳定重复的60秒等离子体放电

2010年,实现了100秒长脉冲等离子体放电

2012年,获得超过400秒的高参数偏滤器等离子体;获得稳定重复超过30秒的高约束等离子体放电

2016年,获得超过60秒的稳态高约束模等离子体

2017年,实现了稳定的101秒稳态长脉冲高约束等离子体运行

接下来,会是什么呢?

ITER 大事件

2006    7个成员正式同意共同建造核聚变反应堆。

2008    ITER日程启动。

2009    ITER平台准备就绪。

2013    托卡马克建筑开始施工。

2015    开始组装装置。

2019    预计装置组装完成,开始环面抽真空。

2020    预计进行等离子体点火。

2027    预计启动氘-氚操作。

中国参与ITER的历程

2003年2月,我国正式加入ITER计划谈判。

2003年11月,国家中长期科技发展规划ITER专项论证专家组进行论证。

2006年11月,我国和参加ITER计划谈判的各方代表,共同签署了《联合实施国际热核聚变实验堆计划建立国际聚变能组织的协定》《联合实施国际热核聚变实验堆计划国际聚变能组织特权和豁免协定》及其它相关文件。

2007年2月,国务院批准设立“ITER计划专项”。

2007年9月,我国政府向ITER组织正式提交由国家主席签署的两个协定批准书。

2008年10月,中国国内机构-中国国际核聚变能源计划执行中心成立,ITER中国工作全面展开。

本文由“科工力量”内容团队制作,未经授权,不得转载,否则将追究法律责任。

杨文

杨文

中科院物理研究所等离子体物理博士生

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来源:观察者网 | 责任编辑:孙武
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