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2017年7月3日晚上十點(diǎn)二十左右，從坐落在合肥科學(xué)島的中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所傳來(lái)剛剛得到的試驗(yàn)結(jié)果：我國(guó)的全超導(dǎo)托卡馬克（EAST）東方超環(huán)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行。

（圖片來(lái)自中國(guó)科學(xué)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(shù)：Ip=0.4MA, Bt=2.5T, PRF=3.0MW, ne=3.0x1019/m3, Te=4.0KeV, H98y2=1.1, USN）

在現(xiàn)有的大型托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置上，這是第一次，也是世界紀(jì)錄。此次試驗(yàn)的成功，對(duì)國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）和未來(lái)中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）建設(shè)和運(yùn)行具有重大意義。

1.什么是高約束運(yùn)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(duì)而言。

無(wú)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(shí)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(gè)比值用H表示，稱(chēng)為改進(jìn)因子。也就是說(shuō)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(shí)間是低約束模式下的H倍。

在這次試驗(yàn)中，約束改善因子 H98y2 大于1.1，高于ITER的基準(zhǔn)運(yùn)行模式的 H98=1。

2.為什么要達(dá)到高約束運(yùn)行模式？

像剛才所說(shuō)，等離子體的能量約束時(shí)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(gè)比方，就像往一個(gè)有漏洞的水缸倒水，倒得越快反而漏的更快，最終的結(jié)果就是池子里的水反而變少了。

所以簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在高約束運(yùn)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(shù)減少，從而減少了雜質(zhì)和能量損失。

而它對(duì)于聚變堆來(lái)說(shuō)有更大的意義，因?yàn)檫@可以大幅度降低聚變裝置的規(guī)模和造價(jià)。

在ITER設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果是按照低約束模式運(yùn)行，預(yù)計(jì)耗資約為100億美元，因經(jīng)費(fèi)巨大而導(dǎo)致計(jì)劃難以施行；而在此后的重新設(shè)計(jì)中改為了高約束模式，預(yù)計(jì)經(jīng)費(fèi)也降低到50億歐元，ITER計(jì)劃得以開(kāi)展。

降低難度還省錢(qián)，對(duì)科學(xué)家們來(lái)說(shuō)這簡(jiǎn)直就是天大的好事。

首次發(fā)現(xiàn)高約束運(yùn)行模式的德國(guó)物理學(xué)家F. Wagner也因此在2007年獲得了由歐洲物理學(xué)會(huì)等離子體物理分會(huì)頒發(fā)的阿爾芬獎(jiǎng)。

3.為什么這次試驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到101秒？

由于這次的試驗(yàn)結(jié)果還剛剛出來(lái)，相關(guān)論文要幾個(gè)月后可能才能見(jiàn)刊，具體細(xì)節(jié)要到時(shí)候才知道。但根據(jù)以往的一些文獻(xiàn)和報(bào)告，還是能推測(cè)一些。

2016年4月，萬(wàn)元熙院士在北京大學(xué)作報(bào)告，內(nèi)容之一便是EAST的長(zhǎng)脈沖H模運(yùn)行。其中有幾個(gè)要點(diǎn)：

1. 完全的非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)（穩(wěn)態(tài)、環(huán)電壓為零）；

2. 利用低雜波、電子回旋和離子回旋三套加熱系統(tǒng)之間的有效耦合，實(shí)現(xiàn)純射頻波加熱的高約束模加熱模式；

3. 在分鐘量級(jí)驗(yàn)證EAST裝置上ITER-like水冷鎢偏濾器的運(yùn)行能力，為ITER鎢偏濾器運(yùn)行提供了重要參考；

4. 實(shí)現(xiàn)全程無(wú)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(zhì)返流；

這次等離子體所新發(fā)的新聞稿也都提到了這幾點(diǎn)，相信大的技術(shù)路線并沒(méi)有改變。

4. 本次試驗(yàn)和去年的102秒放電試驗(yàn)有什么區(qū)別？

去年102秒放電試驗(yàn)，并不是高約束運(yùn)行模式，其實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱藢?shí)現(xiàn)高電子溫度，使中心電子溫度超過(guò)五千萬(wàn)度。

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

-----------一點(diǎn)感想-----------

我最初寫(xiě)本文章的時(shí)候正好此試驗(yàn)的新聞在新聞聯(lián)播上播出，從3號(hào)晚上得到試驗(yàn)結(jié)果到上新聞還不到24小時(shí)，報(bào)道非常及時(shí)。這幾年也感覺(jué)到科普工作的明顯加強(qiáng)，李建剛院士也多次上央視開(kāi)展科普，這自然對(duì)中國(guó)的核聚變事業(yè)的發(fā)展是好事。

去年10月中旬的時(shí)候，EAST獲得超過(guò)60秒的穩(wěn)態(tài)高約束模等離子體，我們想的是什么時(shí)候能到70秒。3號(hào)晚上群里發(fā)出百秒的數(shù)據(jù)圖時(shí)，大家又驚又喜，紛紛道賀。

最近幾天我國(guó)的科技發(fā)生了一些令人遺憾的事，希望這次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能作強(qiáng)心針，振奮人心吧。

EAST介紹

為了在近堆芯的高參數(shù)條件下研究等離子體的穩(wěn)態(tài)和先進(jìn)運(yùn)行，深入探索實(shí)現(xiàn)聚變能源的工程、物理問(wèn)題，中科院等離子體物理研究所在建成超導(dǎo)托卡馬克HT-7的基礎(chǔ)上，提出了“HT-7U全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置建設(shè)”計(jì)劃，后更名為EAST。

EAST由實(shí)驗(yàn)“Experimental”、先進(jìn)“Advanced”、超導(dǎo)“Superconducting”、托卡馬克“Tokamak”四個(gè)單詞首字母拼寫(xiě)而成，它的中文意思是“先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克”，同時(shí)具有“東方”的含意。

EAST大事件

2006年，EAST首次等離子體放電成功

2008年，獲得了超過(guò)22秒的長(zhǎng)脈沖等離子體放電

2009年，獲得穩(wěn)定重復(fù)的60秒等離子體放電

2010年，實(shí)現(xiàn)了100秒長(zhǎng)脈沖等離子體放電

2012年，獲得超過(guò)400秒的高參數(shù)偏濾器等離子體；獲得穩(wěn)定重復(fù)超過(guò)30秒的高約束等離子體放電

2016年，獲得超過(guò)60秒的穩(wěn)態(tài)高約束模等離子體

2017年，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行

接下來(lái)，會(huì)是什么呢？

ITER 大事件

2006    7個(gè)成員正式同意共同建造核聚變反應(yīng)堆。

2008    ITER日程啟動(dòng)。

2009    ITER平臺(tái)準(zhǔn)備就緒。

2013    托卡馬克建筑開(kāi)始施工。

2015    開(kāi)始組裝裝置。

2019    預(yù)計(jì)裝置組裝完成，開(kāi)始環(huán)面抽真空。

2020    預(yù)計(jì)進(jìn)行等離子體點(diǎn)火。

2027    預(yù)計(jì)啟動(dòng)氘-氚操作。

中國(guó)參與ITER的歷程

2003年2月，我國(guó)正式加入ITER計(jì)劃談判。

2003年11月，國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃ITER專(zhuān)項(xiàng)論證專(zhuān)家組進(jìn)行論證。

2006年11月，我國(guó)和參加ITER計(jì)劃談判的各方代表，共同簽署了《聯(lián)合實(shí)施國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃建立國(guó)際聚變能組織的協(xié)定》《聯(lián)合實(shí)施國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃國(guó)際聚變能組織特權(quán)和豁免協(xié)定》及其它相關(guān)文件。

2007年2月，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)設(shè)立“ITER計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)”。

2007年9月，我國(guó)政府向ITER組織正式提交由國(guó)家主席簽署的兩個(gè)協(xié)定批準(zhǔn)書(shū)。

2008年10月，中國(guó)國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)-中國(guó)國(guó)際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心成立，ITER中國(guó)工作全面展開(kāi)。

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