托卡马克研究现状--杨进--20104380133概要

托卡马克研究现状的调研调研人：杨进20104380133超导托卡马克的现状及发展•一个经济实用的商用堆必须是高效、紧凑和稳态运行的。未来商用堆必须是全超导，才能实现稳态运行。我国超导托卡马克研究始于1991年，在将原苏联T7超导托卡马克改成HT-7后并在其上做了许多有意义的工作。1997年开始全超导托卡马克EAST计划，2006年建成并投入运行。未来将在长脉冲条件下进行高参数等离子物理实验，为未来稳态、先进聚变实验反应堆奠定良好的工程技术和物理基础。国内外托卡马克研究现状•在众多途径中，托卡马克获得了巨大成功。上世纪90年代，欧盟的JET、美国的TFTR和日本的JT-60这3个大型托卡马克装置在磁约束核聚变研究中获得许多重要成果：等离子体温度达4.4亿度，这一温度不仅大大超过氘氚反应点火的要求，而且已接近了氘氦-3聚变反应堆点火温度，脉冲聚变输出功率超过16兆瓦，聚变输出功率与外部输入功率之比Q等效值超过1.25。所有这些成就都表明：托卡马克是最有可能首先实现聚变能商业化的途径。但这些结果仅仅持续数秒钟，尚不能用于未来电站。未来电站要求数亿度的等离子体必须稳态运行。上述装置都是常规托卡马克，其磁场只能定短脉冲的方式，无法连续运行。•可控热核聚变能研究的一项重大突破，是将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上。原苏联于上世纪70年代末建造的T-7装置是世界上第一个超导托卡马克装置，在库尔恰托夫原子能研究所运行了5年左右，虽然该装置仅开了12个小窗口，无法开展真正意义上的等离子体物理实验，但却将超导技术用于纵场磁体并调试成功，最大纵场励磁电流达4800A(对应等离子体中心磁场2.5T)。其重大意义在于在工程上验证了纵场磁体能够在这类磁容器上实现连续稳态运行。•国际上主要核国家的聚变界历时10多年，耗资近15亿美元启动的国际热核实验堆ITER项目，将集成当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果，第一次在地球上建成能与未来实用聚变堆规模相比拟的受控热核聚变实验堆，解决通向聚变电站的关键问题。这是人类受控热核聚变研究走向实用的关键一步，因此受到各国政府及科技界的高度重视和支持。欧盟、日本、美国都明确提出在未来35年内建立聚变示范堆，在本世纪中叶实现聚变能的商用目标。•我国核聚变能研究始于上世纪60年代初，尽管经历了长时间非常困难的时期，但始终能坚持稳定、逐步的发展，建成了两个在发展中国家最大的、理工结合的大型现代化专业研究所，即核工业总公司所属的西南物理研究院(SWIP)及中科院所属的合肥等离子体物理研究所(ASIPP)。为了培养专业人才，还在中国科技大学、大连理工大学、华中理工大学、清华大学等高等院校建立了核聚变及等离子体物理专业或研究室。•我国核聚变研究从起步之初，即便规模很小时，就以在我国实现受控热核聚变能为主要目标。自70年代开始，集中选择了托卡马克为主要研究途径，先后建成并运行了小型CT-6(中科院物理所)、KT-5(中国科技大学)、HT-6B(ASIPP)、HL-1A(SWIP)、HT-6M(ASIPP)及较大一些的HL-1M(SWIP)。最近SWIP建成的HL-2A经过进一步升级，有可能进入当前国际上正在运行的少数几个中型托卡马克之列。在这些装置的成功研制过程中，组建并锻炼了一批聚变工程队伍。我国科学家在这些常规托卡马克装置上开展了一系列十分有意义的研究工作。•1991年，我国开始开展超导托卡马克发展计划(ASIPP)，探索解决托卡马克稳态运行问题。1994年底，ASIPP成功改建了我国第一台超导托卡马克装置HT-7及其附属系统，并于1995年初投入运行。HT-7超导托卡马克系统是ASIPP在广泛国际合作的基础上，争取国内各方的支持，主要依靠自己的力量，用短短3年多的时间改建而成的核聚变实验装置。其主要研究目标是，获得并研究长脉冲或准稳态高温等离子体并检验和发展与其相关的工程技术，为未来稳态先进全超导托卡马克装置提供工程技术和物理基础。•该装置1995年投入运行，经过多方面的改进、完善，装置运行的整体性能和水平有了很大的提高。10多年来，物理实验不断取得重大进展和突破。在中心等离子体密度大于2.2×1019/m3条件下，最高电子温度超过5000万度；成功地实现了306秒的稳态等离子体放电，等离子体电流60kA，中心电子密度0.8×1019/m3，中心电子温度约1000万度。高温等离子体存在时间在世界各大装置中仅次于容积大于HT-7装置17.5倍的法国超导托卡马克Tore-Supra。HT-7实验的成功，使HT-7装置成为世界上第二个全面开放的、可进行高参数稳态条件下等离子体物理研究的公共实验平台。•一个经济实用的商用堆必须是高效、紧凑和稳态运行的。全超导托卡马克可实现稳态运行，并通过在稳态运行条件下大大改善约束，为未来稳态、先进聚变反应堆奠定工程技术和物理基础。未来商用堆必须是全超导，才能实现稳态运行。上世纪末，由于其工程难度及风险极大，世界上尚无建造全超导托卡马克的先例。国家大科学工程项目“EAST(原名HT-7U)超导托卡马克核聚变实验装置”的科学目标正是针对目前建造托卡马克核聚变堆尚存在的前沿性物理问题，进行探索性的实验研究，为未来稳态、安全、高效的先进商业聚变堆提供物理和工程技术基础。•“EAST超导托卡马克核聚变实验装置”包括一个具有非圆小截面的大型超导托卡马克EAST实验装置和低温系统、真空系统、电源系统、控制与数据采集系统、波加热系统、波驱动电流系统、诊断系统以及公共基础设施等重要子系统。EAST超导托卡马克实验装置是本项重大科学工程的核心。EAST装置主机的主要特点是：EAST装置的极向场和纵场采用了超导磁体，以提供稳态的等离子体约束，成形和平衡所需的稳定磁场；为实现大的拉长比和三角形变及开展各种高约束模式的实验研究的要求，EAST装置设计有独特的非圆截面真空室和超导纵场磁体；在EAST装置真空室内设置有主动冷却的偏滤器、限制器、被动补偿板、快速反馈线圈等内部部件，可深入开展在极长脉冲及稳态条件下的先进运行模式的研究。•EAST超导托卡马克装置于2006年初成功进行了工程调试，并于2006年成功开展了两次物理实验，获得了拉长截面偏滤器等离子体。2007年3月1日，国家发展和改革委员会组织了“EAST超导托卡马克核聚变装置”的国家验收，验收专家认为：“按照国家发展和改革委员会批准的建设方案，该项目全面优质地完成了工程建设任务，达到工程建设的要求，实现了预定的各项指标”。“该装置具有完整的自主知识产权，目前处于国际同类装置领先水平”。未来十年国内外发展趋势•经过数10年国际磁约束聚变界的共同努力，托卡马克作为受控磁约束核聚变反应堆的可行性已得到初步验证，下一步必须解决的关键问题和托卡马克聚变反应堆工程可行性与商用可行性密切相关，它涉及到稳态先进托卡马克运行模式以及燃烧等离子体物理这两大科学问题。因此，未来10年托卡马克的研究重点是稳态、高约束等离子体的行为与特征。为实现这一目标，只能使用全超导托卡马克这一新一代的研究平台。这也是ITER建设的主要原因之一。过去5年，世界各主要装置实验都是围绕未来ITER运行的物理基础展开一系列研究，各大装置相互配合、补充，并相互充分验证ITER所需物理基础和数据库。今后5年，各主要装置以及各国政府对经费的支持都将以此为重心，以期为10年后ITER的顺利运行打下良好的基础。上述10个装置中，韩国KSTART、印度SST-1尚未建成，除EAST外，其余装置由于各种原因几乎均不能再运行10年。HT-7、JT-60U将会在3—4年后关闭。HL-2A有进一步升级计划，几年后将被改造为与德国Asdex-U类似的装置。由于已进行了20年的实验运行，基本完成其科学目标，Tore-Supra、DIII-D、JET等装置也许只能再运行5年。•EAST装置能实现高参数稳态运行,可开展先进聚变反应堆的前沿性、探索性研究，为聚变能的前期应用提供重要的工程和物理基础。EAST装置不仅规模大，其具有的非圆截面、全超导及主动冷却内部结构等特点，将有利于探索稳态近堆芯等离子体的科学和技术问题。ITER装置的建设需要10年，其间具有稳态运行能力的装置极少。这10年是EAST的黄金期，在这期间，不仅可以开展稳态等离子体研究，提升我国在磁约束聚变领域的研究水平和能力，建立起一支能与国际水平接轨的研发队伍，为全面参与ITER的科学实验奠定基础，同时通过广泛的国际合作，也可以使它成为未来10年世界上为数极少的能为ITER提供前期稳态高参数等离子体研究的实验平台，逐步使等离子体所成为我国聚变研究基地和国际聚变合作研究中心。国际热核聚变实验堆（ITER）•1985年，作为结束冷战的标志性行动之一，前苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根在日内瓦峰会上倡议，由美、苏、欧、日共同启动“国际热核聚变实验堆(ITER)”计划。ITER计划的目标是要建造一个可自持燃烧(即“点火”)的托卡马克核聚变实验堆，以便对未来聚变示范堆及商用聚变堆的物理和工程问题做深入探索。最初，该计划仅有美、俄、欧、日四方参加。由于当时的科学和技术条件还不成熟，四方科技人员于1996年提出的ITER初步设计很不合理，要求建设投资上百亿美元。1998年，美国出于政治原因，以加强基础研究为名，宣布退出ITER计划。欧、日、俄三方则继续坚持合作，并基于上世纪90年代核聚变研究及其它高新技术的新发展，大幅度地修改了实验堆的设计。2001年，欧、日、俄联合工作组完成了ITER装置新的工程设计(EDA)及主要部件的研制，预计建造费用为50亿美元，建造期8—10年，运行期20年。其后，三方分别组织了独立的审查，都认为设计合理，基本上可以接受。2002年，欧、日、俄三方以EDA为基础开始协商ITER计划的国际协议及相应国际组织的建立，并表示欢迎中国与美国参加ITER计划。中国于2003年1月初正式宣布参加协商，其后美国在1月末由布什总统宣布重新参加ITER计划，韩国在2005年被接受参加ITER计划协商。以上六方于2005年6月签订协议，一致同意把ITER建在法国核技术研究中心(Cadarache)，从而结束了激烈的“选址大战”。印度于2006年加入ITER协商。最终，七个成员国政府于2006年11月签了建设ITER的国际协定。•作为聚变能实验堆(图2)，ITER要把上亿度的高温氘氚等离子体约束在体积达837立方米的“磁笼”中，产生50万千瓦的聚变功率，持续时间达500秒。这将是人类第一次在地球上获得持续的、有大量核聚变反应的高温等离子体，并产生接近电站规模的受控聚变能。在ITER上开展的研究工作将揭示这种带有氘氚核聚变反应的高温等离子体的特性，探索它的约束、加热和能量损失机制，等离子体边界的行为以及最佳的控制条件，从而为今后建设商用的核聚变反应堆奠定坚实的科学基础。对ITER装置工程整体及各部件在50万千瓦聚变功率长时间持续过程中产生的变化及可能出现问题的研究，不仅将验证受控热核聚变能的工程可行性，而且还将对今后如何设计和建造聚变反应堆提供必不可少的信息。ITER的建设、运行和实验研究是人类发展聚变能非常必要的一步，有可能将直接决定真正聚变示范电站(DEMO)的设计和建设，并进而促进商用聚变电站的更快实现。ITER装置不仅反映了国际聚变能研究的最新成果，而且综合了当今世界各领域的一些顶尖技术，如：大型超导磁体技术，中能高流强加速器技术，连续、大功率毫米波技术，复杂的远程控制技术等等。•尽管就总体规模和水平来说，我国核聚变能的研究与美、欧、日等发达国家还有不小的差距，但是我们有自己的特点，同时也在技术和人才等方面为参加ITER计划做了相当的准备。这使得我们有能力完成约定的ITER部件制造任务，为ITER计划做出相应的贡献，并有可能在合作过程中全面掌握聚变实验堆的技术，达到我国参加ITER计划的目的。中国政府已于2006年11月在法国正式签署了ITER合作协议，成为正式成员国。今后10年将按协议承担义务，完成ITER10%部件的建造。为此，未来10