作者：中科院物理研究所等離子體物理博士生 楊文
2017年7月3日晚上十點(diǎn)二十左右，從坐落在合肥科學(xué)島的中國科學(xué)院等離子體物理研究所傳來剛剛得到的試驗(yàn)結(jié)果：我國的全超導(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)長脈沖高約束等離子體運(yùn)行。
（圖片來自中國科學(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)國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）和未來中國聚變工程實(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，稱為改進(jìn)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(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，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。
所以簡單來說，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)于聚變堆來說有更大的意義，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)劃得以開展。
降低難度還省錢，對(duì)科學(xué)家們來說這簡直就是天大的好事。
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，相關(guān)論文要幾個(gè)月后可能才能見刊，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，還是能推測一些。
2016年四月，萬元熙院士在北京大學(xué)作報(bào)告，內(nèi)容之一便是EAST的長脈沖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；
今天等離子體所新發(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了五千萬度。
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)。這幾年也感覺到科普工作的明顯加強(qiáng)，李建剛院士也多次上央視開展科普，這自然對(duì)中國的核聚變事業(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22秒的長脈沖等離子體放電
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秒長脈沖等離子體放電
2012年，獲得超過400秒的高參數(shù)偏濾器等離子體；獲得穩(wěn)定重復(fù)超過30秒的高約束等離子體放電
2016年，獲得超過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)長脈沖高約束等離子體運(yùn)行
接下來，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 托卡馬克建筑開始施工。
2015 開始組裝裝置。
2019 預(yù)計(jì)裝置組裝完成，開始環(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。
中國參與ITER的歷程
2003年2月，我國正式加入ITER計(jì)劃談判。
2003年11月，國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃ITER專項(xiàng)論證專家組進(jìn)行論證。
2006年11月，我國和參加ITER計(jì)劃談判的各方代表，共同簽署了《聯(lián)合實(shí)施國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃建立國際聚變能組織的協(xié)定》《聯(lián)合實(shí)施國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃國際聚變能組織特權(quán)和豁免協(xié)定》及其它相關(guān)文件。
2007年2月，國務(wù)院批準(zhǔn)設(shè)立“ITER計(jì)劃專項(xiàng)”。
2007年9月，我國政府向ITER組織正式提交兩個(gè)協(xié)定批準(zhǔn)書。
2008年10月，中國國內(nèi)機(jī)構(gòu)-中國國際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心成立，ITER中國工作全面展開。
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