论“人造太阳”东方超环（EAST）全超导托卡马克装置发展历程与意义

论“人造太阳”东方超环（EAST）全超导托卡马克装置发展历程与意义

一、选题背景

目前，随着人类社会的发展，对能源的需求日益增加。以我国为例，2020年我国全社会发电量达到了7.42万亿千瓦时，其中火力发电量为5.28万亿千瓦时，我国电力行业仍然十分依赖化石燃料发电。从长远来看，化石燃料作为一种不可再生资源终有枯竭之时，并且大量使用化石燃料所带来的严峻的环境问题使得我们不得不寻求清洁能源。

根据我国提出的“十四五”规划，其中提出要推进能源领域的革命，建设节能低碳、安全高效的能源体系，加快发展非化石能源，提升清洁能源消纳和储存能力。如今，如火如荼地正在发展的新能源技术，如风能发电、水能发电、太阳能发电等新能源产电具有受限于天气、环境和地理条件等因素，具有不稳定，产能不连续等缺点。目前采用核裂变的核电站需要使用大量的放射性物质，而EAST中的核聚变反应所需的原材料是在海水中储量巨大的氘，可谓是取之不尽，用之不竭。该能量密度数值非常可观，据测算，1L海水中含有的氘在聚变反应之后产生的能量相当于300L汽油燃烧后产生的能量。掌握这样的在恒星中产生的反应，其意义无异于普罗米修斯盗火，为了能够获得这样的无限能源，各国科研人员在艰难攀登。

所面临的最主要的问题即是聚变反应产生的上亿摄氏度的超高温使得反应无法在一般的容器中发生，一度使得相关研究陷入了瓶颈。1968年，由苏联科学家阿齐莫维奇率先提出的托卡马克装置，它工作中产生巨大的螺旋型磁场，使得其中的超高温的等离子状态的聚变物质被强磁场约束在强磁场中，此类装置给各国科学家带来了希望的曙光。2002年,欧盟、日本、俄罗斯三方开始协商ITER计划并且邀请中美两国加入，2003年中美先后加入协商，接下来形成了中、美、俄、日、韩、欧、印七个成员国的格局，至此，ITER已成为继国际空间站之后的又一个国际间的重大科学工程计划，该项目的推进可能决定了人类的能源问题能否根本解决。

二、东方超环（EAST）简介

中国科学院等离子物理研究所在苏联赠送的T-7装置的基础上进行改造形成了我国第一个超导托卡马克装置HT-7，我国工程院院士万元熙做出如下论断：“全超导托卡马克是实现稳态运行必要的工程技术基础”。1998年国务院批准了“HT-7U”的立项。科研攻关团队在研究过程当中面临着许多关键技术问题毫无任何借鉴的可能。既然关键技术要不来、买不来、讨不来的，那么必须依靠自力更生。2002年项目的名称正式改称“EAST”既包含了“先进实验超导托卡马克”同时也具有“东方”的含意。装置于2005年完成总装，2010 年实现一百秒的长脉冲等离子体放电；2012年获得超过四百秒的两千万度高参数偏滤器等离子体，获得稳定重复超过三十秒的高约束等离子体放电；2013 年与DIII-D装置的首次联合实验十分顺利且探索出一种先进运行模式；2014年首次实现重复的完全抑制边界局域模稳态长脉冲高约束等离子体；2016 年实现电子温度超过五千万摄氏度、持续时间达一百零二秒的超高温长脉冲等离子体放电；2017 年实现了稳定的一百零一秒稳态长脉冲高约束等离子体运行世界纪录。2018 年和2019 年实现高约束、高密度、高比压的完全非感应先进稳态运行模式和电子温度1 亿摄氏度等离子体运行。2020 年12 月，我国最新一代“人造太阳”装置――中国环流器二号M 装置在蓉建成放电实验获得成功，标志着中能够充分掌握大型先进的托卡马克装置的设计、建造和运行。中国环流器二号M 装置作为我国最大型性能最高的托卡马克装置，采用更先进的结构和控制方式，等离子体体积达到国内现有装置2 倍以上，特别需要注意的是等离子体电流强度能够提高到2.5 MA以上，其内部的可耐受的等离子体离子温度可达到一点五亿度，能实现高密度、高比压、高自举电流运行，是实现我国核聚变能开发事业跨越式发展的重要依托装置，也是我国消化吸收ITER 技术不可或缺的重要平台。在HL-2M 装置建设过程中，装置物理层面和结构层面的设计、特殊材料研制、连接与关键部件研发集成等方面取得了多项突破，创造性地设计了可拆卸线圈结构，增强了控制运行水平，提升了装置物理实验研究能力；攻克了高镍合金双曲面薄壁件大型真空容器模压成型和焊接变形控制等关键技术；掌握了具有国际先进水平的异形铜合金厚板材制造成型工艺，实现了高强度膨胀螺栓组件的自主国产化；研制成功国际先进水平的国内首台大型立轴脉冲发电机组。依托此类装置获得的相当一部分的先进技术，已经逐步应用在了其他的领域，例如航空、航天、电子等前沿领域实现创新应用。

EAST装置主机高度为十一米，直径为八米，重四百吨，由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等部件组成。主机周围布满了各种附属系统。

三、总结

能源危机的解决往往是能源动力领域的一项终极问题，解决能源问题利于解决人类生存的瓶颈问题，使得人类的发展和生存环境到达一个新的纪元。

托卡马克装置使得可控核聚变变成可能，然而这种磁场的强度需要能够使得上亿度的等离子体控制在磁笼当中，因此这样的磁场强度比地球南北极的磁场强度高出两万倍以上，然而因其储能非常高且聚变的产物非常清洁，其聚变产生的产物为氦气，非常安全清洁，无当前核电站事故后的放射性物质泄漏隐患，经过50年的发展我国的托卡马克装置已经能够做到能量净产出，然而这样的结果是在十分短暂的时间，其主要原因是托卡马克装置使用的线圈的电阻无端浪费了大量的电能，因此我国必须发展全超导托卡马克装置，这就意味着要把上亿度的火球装在一个接近绝对零度的笼子当中，这样的一个矛盾可以说是一个瓶颈，当然这样的矛盾往往是可以通过科研攻关来进行解决，只要思想不滑坡，方法总比困难多，最后使用了五层真空技术，实现了一亿度与零下270度的结合，这样的先进技术使得我国在ITER这样的组织当中获得了相当的话语权，这项技术可以说是我国再一次走在了世界寻求终极能源解决方案的前列，完全掌握了关键技术，也大大推动了人类在可控核聚变及其能量的利用方面的进度。