回眸 | 2006年9月28日,新一代“人造太阳”装置EAST成功放电

可控核聚变会承载人类如此多的想象,原因就在于核聚变能源的原材料在地球上几乎取之不竭,排放无污染,被视为可以解决能源问题的“终极答案”。

2006年9月28日,中科院合肥物质科学研究院自主研制的世界上首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置(EAST)首轮物理放电实验取得成功,标志着中国站在了世界核聚变研究的前端。

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什么是人造太阳?

“人造太阳”是“核聚变反应装置”一种通俗的说法,之所以称它为人造太阳,是因为它的反应原理和太阳一样。而研究人造太阳的目的,是为了解决人类面临的能源危机。

概括地说,可控核聚变是在模仿太阳产生能量的原理,目标是以极高的效率产生源源不断的清洁能源。而根据目前的理论基础,有几种实现可控核聚变的方式,托卡马克就是其中一种,而位于合肥的全超导托卡马克核聚变实验装置,简称EAST,是国际上最重要的核聚变研究实验平台之一。

全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)的运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚,通过类似变压器的原理使其产生等离子体,然后提高其密度、温度使其发生聚变反应,反应过程中会产生巨大的能量。

2016年2月,中国EAST物理实验获重大突破,实现在国际上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电。2018年11月12日,EAST实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破 。

这是2018年度EAST物理实验后,科研人员在进行EAST装置内部检查

2021年5月28日,EAST创造新的世界纪录,成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行,将1亿摄氏度20秒的原纪录延长了5倍。12月30日晚,EAST实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行,这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。

EAST是目前世界上最先进的核聚变实验装置之一

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起步“逐日”

煤炭、天然气、石油等化石能源最终将会枯竭,使人类未来的命运聚焦在寻找更加持久的清洁能源上。如果人类掌握了核聚变能源,将拥有可使用上十亿年的清洁能源。

EAST的发展历程可以追溯到1991年3月正式立项的HT-7,作为“发展中国家最先进的托卡马克装置”,在1994年12月,完成了极向场控制系统后又进行了首次工程调试,获得首次等离子体。

在HT-7成功运行的基础上,“九五”国家重大科学工程--大型非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置HT-7U在1998年立项。

1998年7月国家计委下达文件,同意由中科院主持,中科院等离子体物理所承担国家重大科学工程项目“HT-7U超导托卡马克核聚变实验装置” 的建造。

起步阶段,中国只能遥望着引领者的脚步,通过跟随和模仿艰难向前。为了研究这一装置,中国科学家拆下了它所有的部件,研究构造和技术,再改造发展。

2003年10月,为使国内外专家易于发音、便于记忆同时又有确切的科学含义,HT-7U正式改名为EAST (Experimental and Advanced Superconducting Tokamak)。

到2006年,世界上首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置(EAST)首轮物理放电实验取得成功,标志着我国站在了世界核聚变研究的前端。

“中国要有自主建造的核聚变实验装置!不是为了科学家写几个报告,而是为了真正解决我们一百年、两百年后的能源问题。”中国科学家发出了这样的呼声。一个要为国家和人类命运担当的科学家团队站了出来,这个200多人的团队当时的平均年龄不到40岁。

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披荆斩棘追成“并跑”

1998年等离子体所成立团队,目标是建设世界首个全超导非圆截面核聚变装置 EAST ,它的中文名字“东方超环”寄予着中国科学界的巨大期望。

等离子体所成立12个研究室,两个技术支撑中心,攻克一个个难关。绝缘子是核心部件,这种只有圆珠笔大小的部件需要几百个,国外报价一个上千美元。科学家们咬咬牙:“太贵了,不信这个东西我们自己做不成!”

2006年9月,中国自主设计建造的 EAST 建成,并完成了首次成功放电,获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。与国际同类实验装置相比,它在当时获得四项世界“第一”,即使用资金最少、建设速度最快、投入运行最早、运行后获得等离子放电最快。

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渴望用核聚变能点亮第一盏灯

核聚变实验堆的设计和建设是一项十分复杂、艰巨的工程。宋云涛说,EAST的建成让中国在超导技术上走在世界前列,但要为 ITER 计划贡献中国力量,为中国未来建造自己的核聚变商用实验堆奠定基础,“关键技术和部件一定要100%国产化!”

EAST控制大厅放电实况

他介绍说,中国科学家开始破题很多世界级难题。比如,未来核聚变实验堆的等离子体中心温度必须达到1亿度,这就需要高功率辅助加热设备,它相当于全世界最大的微波炉,功率是平常家用微波炉的几万倍。这个中国科学家2015年自主做成了。

李建刚说,“2016年1月 EAST 成功实现了电子温度超过5千万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电。这是国际托卡马克实验装置在电子温度达到5千万度时,持续时间最长的等离子体放电。5千万度什么概念?比太阳中心部的温度还要高近三倍。”

“人造太阳”1.2亿摄氏度成功“燃烧”100秒时,内部的红外影像(图片来源:中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所)

宋云涛介绍说,等离子体所还承担了 ITER 计划9%的采购包任务。截至目前,中国科学家攻克了采购包任务中遇到的所有技术难关。我国交付ITER计划的采购包部件实现了100%国产化,而且全部一次性100%合格,并按期交付。ITER组织两任总干事对中方的评价是“中国在采购包的研发、生产方面领先于各方”。

“我这一辈子,做了将近二十万次‘人造太阳’的实验,有将近四万次失败了。这是一个非常漫长的过程。尽管一百秒放电离一千秒、一万秒,离无限量商用还很远,但是我们会一直往下走。”李建刚院士说,“我的梦想就是在有生之年,有一盏灯泡被核聚变能点亮,这一盏灯泡一定要在中国!”

原标题:《回眸 | 2006年9月28日,新一代“人造太阳”装置EAST成功放电》