東方超環實現百秒高約束運行 離「人造太陽」更進一步

2017年7月3日晚上十點二十左右，從坐落在合肥科學島的科學院等離子體物理研究所傳來剛剛得到的試驗結果：的全超導托卡馬克（EAST）東方超環實現了穩定的101.2秒穩態長脈衝高約束等離子體運行。

（圖片來自科學院等離子體物理研究所新聞：http://www.ipp.ac.cn/xwdt/ttxw/201707/t20170704_377414.html，基本參數：Ip=0.4MA, Bt=2.5T, PRF=3.0MW, ne=3.0x1019/m3, Te=4.0KeV, H98y2=1.1, USN）

在現有的大型托卡馬克核聚變實驗裝置上，這是第一次，也是世界紀錄。此次試驗的成功，對國際熱核聚變實驗堆（ITER）和未來聚變工程實驗堆（CFETR）建設和運行具有重大意義。

1.什麼是高約束運行模式？

有高約束模式自然就有低約束模式，「高」與「低」是約束能力上的相對而言。

無論是「高」還是「低」，外部的輔助加熱功率越大，等離子體的能量約束時間都是越短的。但是，高約束模式的衰減率比低約束模式小得多，這個比值用 H表示，稱為改進因子。也就是說在外部相同的輔助加熱功率條件下， 則高約束模式下的能量約束時間是低約束模式下的 H 倍。

在這次試驗中，約束改善因子 H98y2 大於1.1，高於ITER的基準運行模式的 H98=1。

2.為什麼要達到高約束運行模式？

像剛才所說，等離子體的能量約束時間是隨外部輔助加熱功率的增加而縮短的， 加熱功率越大，等離子體能量損失反而越快。打個比方，就像往一個有漏洞的水缸倒水，倒得越快反而漏的更快，最終的結果就是池子里的水反而變少了。

所以簡單來說，在高約束運行模式下，等離子體約束變好了， 而且從等離子體損失到第一壁的粒子數減少，從而減少了雜質和能量損失。

而它對於聚變堆來說有更大的意義，因為這可以大幅度降低聚變裝置的規模和造價。

在ITER設計過程中，如果是按照低約束模式運行，預計耗資約為 100億美元，因經費巨大而導致計劃難以施行；而在此後的重新設計中改為了高約束模式，預計經費也降低到50億歐元，ITER計劃得以開展。

降低難度還省錢，對科學家們來說這簡直就是天大的好事。

首次發現高約束運行模式的德國物理學家F. Wagner也因此在 2007 年獲得了由歐洲物理學會等離子體物理分會頒發的阿爾芬獎。

3.為什麼這次試驗能達到101秒？

由於這次的試驗結果還剛剛出來，相關論文要幾個月後可能才能見刊，具體細節要到時候才知道。但根據以往的一些文獻和報告，還是能推測一些。

2016年四月，萬元熙院士在北京大學作報告，內容之一便是EAST的長脈衝H模運行。其中有幾個要點：

1. 完全的非感應電流驅動（穩態、環電壓為零）；

2. 利用低雜波、電子迴旋和離子迴旋三套加熱系統之間的有效耦合，實現純射頻波加熱的高約束模加熱模式；

3. 在分鐘量級驗證EAST裝置上ITER-like水冷鎢偏濾器的運行能力，為ITER鎢偏濾器運行提供了重要參考；

4. 實現全程無大幅度邊界局域模（ELMs），有效控制偏濾器靶板的峰值熱流和鎢雜質返流；

今天等離子體所新發的新聞稿也都提到了這幾點，相信大的技術路線並沒有改變。

4. 本次試驗和去年的102秒放電試驗有什麼區別？

去年102秒放電試驗，並不是高約束運行模式，其實驗目的是為了實現高電子溫度，使中心電子溫度超過了五千萬度。

另外，托卡馬克等離子體放電時間和裝置的能量約束時間是兩個不同的概念，不能混淆。

一點感想

我最初寫本文章的時候正好此試驗的新聞在新聞聯播上播出，從3號晚上得到試驗結果到上新聞還不到24小時，報道非常及時。這幾年也感覺到科普工作的明顯加強，李建剛院士也多次上央視開展科普，這自然對的核聚變事業的發展是好事。

去年10月中旬的時候，EAST獲得超過60秒的穩態高約束模等離子體，我們想的是什麼時候能到70秒。3號晚上群里發出百秒的數據圖時，大家又驚又喜，紛紛道賀。

最近幾天的科技發生了一些令人遺憾的事，希望這次的實驗結果能作強心針，振奮人心吧。

EAST介紹

為了在近堆芯的高參數條件下研究等離子體的穩態和先進運行，深入探索實現聚變能源的工程、物理問題，中科院等離子體物理研究所在建成超導托卡馬克HT-7的基礎上，提出了「HT-7U全超導非圓截面托卡馬克裝置建設」計劃，后更名為EAST。

EAST由實驗「Experimental」、先進「Advanced」、超導「Superconducting」、托卡馬克「Tokamak」四個單詞首字母拼寫而成，它的中文意思是「先進實驗超導托卡馬克」，同時具有「東方」的含意。

2006年，EAST首次等離子體放電成功

2008年，獲得了超過22秒的長脈衝等離子體放電

2009年，獲得穩定重複的60秒等離子體放電

2010年，實現了100秒長脈衝等離子體放電

2012年，獲得超過400秒的高參數偏濾器等離子體；獲得穩定重複超過30秒的高約束等離子體放電

2016年，獲得超過60秒的穩態高約束模等離子體

2017年，實現了穩定的101秒穩態長脈衝高約束等離子體運行

接下來，會是什麼呢？

2006 7個成員正式同意共同建造核聚變反應堆。

2008 ITER日程啟動。

2009 ITER平台準備就緒。

2013 托卡馬克建築開始施工。

2015 開始組裝裝置。

2019 預計裝置組裝完成，開始環面抽真空。

2020 預計進行等離子體點火。

2027 預計啟動氘-氚操作。

2003年2月，正式加入ITER計劃談判。

2003年11月，國家中長期科技發展規劃ITER專項論證專家組進行論證。

2006年11月，和參加ITER計劃談判的各方代表，共同簽署了《聯合實施國際熱核聚變實驗堆計劃建立國際聚變能組織的協定》《聯合實施國際熱核聚變實驗堆計劃國際聚變能組織特權和豁免協定》及其它相關文件。

2007年2月，國務院批准設立「ITER計劃專項」。

2007年9月，政府向ITER組織正式提交兩個協定批准書。

2008年10月，國內機構-國際核聚變能源計劃執行中心成立，ITER工作全面展開。