論“人造太陽”東方超環（EAST）全超導託卡馬克裝置發展歷程與意義

論“人造太陽”東方超環（EAST）全超導託卡馬克裝置發展歷程與意義

一、選題背景

目前，隨着人類社會的發展，對能源的需求日益增加。以我國爲例，2020年我國全社會發電量達到了7.42萬億千瓦時，其中火力發電量爲5.28萬億千瓦時，我國電力行業仍然十分依賴化石燃料發電。從長遠來看，化石燃料作爲一種不可再生資源終有枯竭之時，並且大量使用化石燃料所帶來的嚴峻的環境問題使得我們不得不尋求清潔能源。

根據我國提出的“十四五”規劃，其中提出要推進能源領域的革命，建設節能低碳、安全高效的能源體系，加快發展非化石能源，提升清潔能源消納和儲存能力。如今，如火如荼地正在發展的新能源技術，如風能發電、水能發電、太陽能發電等新能源產電具有受限於天氣、環境和地理條件等因素，具有不穩定，產能不連續等缺點。目前採用核裂變的核電站需要使用大量的放射性物質，而EAST中的核聚變反應所需的原材料是在海水中儲量巨大的氘，可謂是取之不盡，用之不竭。該能量密度數值非常可觀，據測算，1L海水中含有的氘在聚變反應之後產生的能量相當於300L汽油燃燒後產生的能量。掌握這樣的在恆星中產生的反應，其意義無異於普羅米修斯盜火，爲了能夠獲得這樣的無限能源，各國科研人員在艱難攀登。

所面臨的最主要的問題即是聚變反應產生的上億攝氏度的超高溫使得反應無法在一般的容器中發生，一度使得相關研究陷入了瓶頸。1968年，由蘇聯科學家阿齊莫維奇率先提出的託卡馬克裝置，它工作中產生巨大的螺旋型磁場，使得其中的超高溫的等離子狀態的聚變物質被強磁場約束在強磁場中，此類裝置給各國科學家帶來了希望的曙光。2002年,歐盟、日本、俄羅斯三方開始協商ITER計劃並且邀請中美兩國加入，2003年中美先後加入協商，接下來形成了中、美、俄、日、韓、歐、印七個成員國的格局，至此，ITER已成爲繼國際空間站之後的又一個國際間的重大科學工程計劃，該項目的推進可能決定了人類的能源問題能否根本解決。

二、東方超環（EAST）簡介

中國科學院等離子物理研究所在蘇聯贈送的T-7裝置的基礎上進行改造形成了我國第一個超導託卡馬克裝置HT-7，我國工程院院士萬元熙做出如下論斷：“全超導託卡馬克是實現穩態運行必要的工程技術基礎”。1998年國務院批准了“HT-7U”的立項。科研攻關團隊在研究過程當中面臨着許多關鍵技術問題毫無任何借鑑的可能。既然關鍵技術要不來、買不來、討不來的，那麼必須依靠自力更生。2002年項目的名稱正式改稱“EAST”既包含了“先進實驗超導託卡馬克”同時也具有“東方”的含意。裝置於2005年完成總裝，2010 年實現一百秒的長脈衝等離子體放電；2012年獲得超過四百秒的兩千萬度高參數偏濾器等離子體，獲得穩定重複超過三十秒的高約束等離子體放電；2013 年與DIII-D裝置的首次聯合實驗十分順利且探索出一種先進運行模式；2014年首次實現重複的完全抑制邊界局域模穩態長脈衝高約束等離子體；2016 年實現電子溫度超過五千萬攝氏度、持續時間達一百零二秒的超高溫長脈衝等離子體放電；2017 年實現了穩定的一百零一秒穩態長脈衝高約束等離子體運行世界紀錄。2018 年和2019 年實現高約束、高密度、高比壓的完全非感應先進穩態運行模式和電子溫度1 億攝氏度等離子體運行。2020 年12 月，我國最新一代“人造太陽”裝置――中國環流器二號M 裝置在蓉建成放電實驗獲得成功，標誌着中能夠充分掌握大型先進的託卡馬克裝置的設計、建造和運行。中國環流器二號M 裝置作爲我國最大型性能最高的託卡馬克裝置，採用更先進的結構和控制方式，等離子體體積達到國內現有裝置2 倍以上，特別需要注意的是等離子體電流強度能夠提高到2.5 MA以上，其內部的可耐受的等離子體離子溫度可達到一點五億度，能實現高密度、高比壓、高自舉電流運行，是實現我國核聚變能開發事業跨越式發展的重要依託裝置，也是我國消化吸收ITER 技術不可或缺的重要平臺。在HL-2M 裝置建設過程中，裝置物理層面和結構層面的設計、特殊材料研製、連接與關鍵部件研發集成等方面取得了多項突破，創造性地設計了可拆卸線圈結構，增強了控制運行水平，提升了裝置物理實驗研究能力；攻克了高鎳合金雙曲面薄壁件大型真空容器模壓成型和焊接變形控制等關鍵技術；掌握了具有國際先進水平的異形銅合金厚板材製造成型工藝，實現了高強度膨脹螺栓組件的自主國產化；研製成功國際先進水平的國內首臺大型立軸脈衝發電機組。依託此類裝置獲得的相當一部分的先進技術，已經逐步應用在了其他的領域，例如航空、航天、電子等前沿領域實現創新應用。

EAST裝置主機高度爲十一米，直徑爲八米，重四百噸，由超高真空室、縱場線圈、極向場線圈、內外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統等部件組成。主機周圍佈滿了各種附屬系統。

三、總結

能源危機的解決往往是能源動力領域的一項終極問題，解決能源問題利於解決人類生存的瓶頸問題，使得人類的發展和生存環境到達一個新的紀元。

託卡馬克裝置使得可控核聚變變成可能，然而這種磁場的強度需要能夠使得上億度的等離子體控制在磁籠當中，因此這樣的磁場強度比地球南北極的磁場強度高出兩萬倍以上，然而因其儲能非常高且聚變的產物非常清潔，其聚變產生的產物爲氦氣，非常安全清潔，無當前核電站事故後的放射性物質泄漏隱患，經過50年的發展我國的託卡馬克裝置已經能夠做到能量淨產出，然而這樣的結果是在十分短暫的時間，其主要原因是託卡馬克裝置使用的線圈的電阻無端浪費了大量的電能，因此我國必須發展全超導託卡馬克裝置，這就意味着要把上億度的火球裝在一個接近絕對零度的籠子當中，這樣的一個矛盾可以說是一個瓶頸，當然這樣的矛盾往往是可以通過科研攻關來進行解決，只要思想不滑坡，方法總比困難多，最後使用了五層真空技術，實現了一億度與零下270度的結合，這樣的先進技術使得我國在ITER這樣的組織當中獲得了相當的話語權，這項技術可以說是我國再一次走在了世界尋求終極能源解決方案的前列，完全掌握了關鍵技術，也大大推動了人類在可控核聚變及其能量的利用方面的進度。