全超導托卡馬克核聚變實驗裝置
先進實驗超導托卡馬克實驗裝置（英語：Experimental Advanced Superconducting Tokamak，縮寫：EAST），原名HT-7U，又被稱為「人造太陽」[1]、東方超環[2]，是中國科學院等離子體物理研究所在中國安徽省省會合肥市建設的世界第一個全超導磁體托卡馬克核聚變反應試驗性裝置，屬於中國國家「九五」重大科學工程。EAST是國際上穩態磁約束聚變研究的重要實驗平台，其研究成果將為未來國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)實現穩態高約束放電提供科學和工程實驗支持。[3]
| 先進實驗超導托卡馬克實驗裝置 | |
|---|---|
 EAST的等離子容器內部 | |
| 類型 | 托卡馬克 |
| 位置 |  中國安徽省合肥市 31°54′37.8″N 117°08′52.4″E / 31.910500°N 117.147889°E |
| 技術規格 | |
| 大半徑 | 1.85米（6英尺1英寸） |
| 小半徑 | 0.45米（1英尺6英寸） |
| 磁場 | 3.5 T |
| 等離子體加熱功率 | 7.5 MW |
| 持續放電時間記錄 | 102 s |
| 等離子電流 | 1.0 MA |
| 等離子溫度 | 100×106 K |
| 歷程 | |
| 建造日期 | 2003 |
| 運行日期 | 2006年–現在 |
| 繼承自 | HT-6M |
歷史
中國為了在近堆芯的高參數條件下研究等離子體的穩態和先進運行，深入探索實現聚變發電的物理及工程問題，中科院等離子體物理研究所在成功建設中國首個超導托卡馬克HT-7的基礎上，提出了「HT-7U全超導非圓截面托卡馬克裝置建設」計劃。為使研究人員等便於記憶、易於發音同時又明確其科學含義，該項目的名稱在2003年10月正式由HT-7U改為「EAST」。
該裝置計劃於1996年被提出，根據2003年的進度表，[4][失效連結]主要建築物與設施於2003年開始建造，2003年至2005年組裝托卡馬克。主機和分系統的研製安裝工作於2005年底基本完成，2006年2月1日到3月17日進行首次工程調試[5]。調試中，最受關注的低溫調試和磁體通電測試均獲得圓滿的成功。根據2006年的報道，該裝置的計劃投資為3億人民幣。[6]
第一階段
2006年9月28日，該裝置首次成功放電。這是全球首個投入運行的全超導非圓截面核聚變實驗裝置，2007年2月的實驗中，EAST產生了持續了近3秒的200千安培的等離子放電。[7]
第二階段
2011年11月29日，EAST輔助供暖系統項目剪彩儀式舉行，標誌着全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）進入「第二階段」。
2016年1月28日凌晨零點26分，中國科學院合肥物質科學研究院全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）成功實現了電子溫度超過5千萬度、持續時間達102秒的超高溫長脈衝等離子體放電，這是國際托卡馬克實驗裝置上電子溫度達到5000萬度持續時間最長的等離子體放電。
2016年11月2日消息，中國科學院合肥物質科學研究院等離子體所承擔的國家大科學工程「人造太陽」實驗裝置EAST在第11輪物理實驗中再獲重大突破，獲得超過60秒的穩態高約束模等離子體放電。EAST因此成為世界首個實現穩態高約束模運行持續時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。[8]
2017年7月3日夜晚，實現了穩定的101.2秒穩態長脈衝高約束等離子體運行，創造了新的世界紀錄。這標誌着EAST成為了世界上第一個實現穩態高約束模式運行持續時間達到百秒量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。這一里程碑性的重要突破，表明中國磁約束聚變研究在穩態運行的物理和工程方面，將繼續引領國際前沿，對於國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）和未來的中國聚變工程實驗堆（CFETR）建設和運行具有重大的科學意義[9][10][11]。
2018年11月12日，該裝置首次實現加熱功率超過10兆瓦，等離子體儲能增加到300千焦，等離子體中心電子溫度首次達到1億度，獲得的多項實驗參數接近未來聚變堆穩態運行模式所需要的物理條件[12][13]。
2020年4月，東方超環在1億度的高溫下維持了近10秒[14]。
2021年5月28日凌晨，正在開展的第16輪EAST裝置物理實驗實現了可重複的1.2億度101秒等離子體運行和1.6億度20秒等離子體運行。[15]
2021年12月30日晚，實現 1056 秒的長脈衝高參數等離子體運行，再次創造托卡馬克實驗裝置運行新的世界紀錄。[16]
2023年4月12日晚，在經歷十二萬多次的實驗後，EAST成功實現穩態高約束模式等離子體運行403秒，刷新2017年的101秒世界紀錄。[17]
項目目標
中國是國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）聯盟的成員之一，並且先進超導托卡馬克實驗裝置（EAST）將是擬議的ITER項目技術的一個測試平台。
建成一個具有非圓小截面全超導托卡馬克。在其上實現高參數、長脈衝和穩態運行；在以上條件下開發先進運行模式，並進行熱流平衡和粒子流平衡控制的實驗研究。
EAST將測試：
- 鈮鈦極向場超導磁體，使其成為第一個帶有環向場和極向場超導磁體的托卡馬克裝置；
- 非感應電流驅動；
- 脈衝高達1000秒與0.5MA的等離子電流；
- 通過實時診斷控制等離子體不穩定性的方案（「穩態托卡馬克等離子體的先進診斷技術」）；
- 偏濾器和面對等離子體的組件的材料；
- 操作在βN = 2，限制因子H89 > 2；
EAST是中國核聚變研究的一個重要里程碑，它將使中國核聚變研究進入國際先進水平，為未來先進核聚變反應堆的工程技術核物理基礎、為人類能在21世紀後半葉實際使用聚變能做出貢獻。[18]
實驗裝置
根據設計，EAST項目的主要技術特點和指標是：16個大型「D」字形超導縱場磁體將產生縱場強度（BT）3.5特斯拉；12個大型極向場超導磁體可以提供磁通量變化量ΔФ≥10伏特*秒。通過這些極向場超導磁體，EAST能產生超過100萬安培的等離子體電流、持續達1000秒、在高功率加熱下溫度將超過一億攝氏度。
EAST實驗裝置的主機部分高達11米，直徑達8米，重約400噸。它們主要由超高真空室、縱場系統、極向場系統、內外冷屏、外真空杜瓦及支撐系統等六大部件組成。
另外，EAST的實驗運行需要大型超高真空、大型超導體測試、大規模低溫液氦製冷、大型高功率脈衝電源及其迴路、大型計算機控制和數據採集處理、兆瓦級低雜波電流驅動和射頻波加熱以及多種先進診斷測量等系統支持。
托卡馬克參數
| 環向場磁感應強度（Toroidal field），Bθ | 3.5 T |
| 等離子電流（Plasma current），IP | 1.0 MA |
| 大半徑（Major radius），R0 | 1.85 m |
| 小半徑（Minor radius），a | 0.45 m |
| 環徑比（Aspect ratio），R/a | 4.25 |
| 拉長比（Elongation），κ | 1.6-2 |
| 三角形變（Triangularity），δ | 0.6-0.8 |
| 離子迴旋共振加熱（Ion cyclotron resonance heating, ICRH） | 4 MW |
| 低雜波電流驅動（Lower hybrid current drive, LHCD） | 6 MW |
| 電子迴旋共振加熱（Electron cyclotron resonance heating, ECRH） | 4 MW |
| 中性流注入（Neutral beam injection, NBI） | 4 MW |
| 脈衝時長（Pulse length） | 1-1000 s |
| 配置 | 雙零偏濾器 限制器 單零偏濾器 |
參見
參考文獻
- ^ 人民日报：中国“人造太阳”八月放电实验. [2006-08-02]. （原始內容存檔於2007-03-25）.
- ^ 【我委支持建设的“东方超环”在误差场锁模定标关键机理研究方面取得新进展】- 国家发展和改革委员会. www.ndrc.gov.cn. [2020-12-27]. （原始內容存檔於2020-12-27）.
- ^ International Tokamak Research. ITER. [2021-06-26]. （原始內容存檔於2021-06-13）.
- ^ http://202.127.205.62/IAC/disk/Design%20of%20the%20EAST(HT-7U)Project/6.doc
- ^ EAST全超导托卡马克完成首次工程调试. [2006-06-11]. （原始內容存檔於2006-06-14）.
- ^ China to build world's first "artificial sun" experimental device. People's Daily Online. [2006-06-11]. （原始內容存檔於2011-06-05）.
- ^ 孫聞，蔡敏，中國新一代核聚變實驗裝置通過國家驗收 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館），新華網
- ^ 我国“人造太阳”实验装置再获重大突破. 國防科技信息網. [2019-12-25]. （原始內容存檔於2020-01-15） （中文（簡體））.
- ^ EAST團隊. EAST首次获得百秒量级稳态高约束模等离子体. 中國科學院. 2017-07-04 [2019年12月25日]. （原始內容存檔於2019-12-02）.
- ^ EAST團隊. EAST首次获得百秒量级稳态高约束模等离子体. 中國科學院. 2017-07-04.
- ^ EAST團隊. EAST首次获得百秒量级稳态高约束模等离子体. 《科學家》. 2017, (13期): 第03頁 [2019-12-25]. （原始內容存檔於2019-12-25）.
- ^ 中国“人造太阳”首次实现1亿度运行. 觀察者. 2018-11-12 [2018-11-14]. （原始內容存檔於2018-11-14） （中文（簡體））.
- ^ shiuhk. 中國「人造太陽」成功以一億溫度運行！開發核聚變能源不是夢？. e-zone. 2018-11-15 [2018-11-17]. （原始內容存檔於2018-11-17）.
- ^ 環球網. 韩国“人造太阳”成功运行20秒，温度高达1亿度. 搜狐. 2020-12-28 [2020-12-29]. （原始內容存檔於2020-12-29） （中文）.
- ^ EAST装置物理实验创造1.2亿度101秒等离子体运行的世界纪录.
- ^ 中国“人造太阳”实现千秒级等离子体运行-新华网. www.news.cn. [2021-12-31]. （原始內容存檔於2022-01-01）.
- ^ 徐海濤; 戴威. 新华全媒+ 403秒！中国“人造太阳”获重大突破. 新華網. 2023-04-13 [2024-07-24]. （原始內容存檔於2024-06-05）.
- ^ 大科学城里的“逐日”故事-新华网. www.news.cn. [2024-11-30].
- ^ HT-7U Superconducting Tokamak. [2006-06-11]. （原始內容存檔於2006-06-10） （英語）.
- ^ P. Fu; et al. Power supply system of EAST superconducting tokamak. 2010 5th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications. 2010: 457-462 [2022-01-14]. doi:10.1109/ICIEA.2010.5517148. （原始內容存檔於2022-01-14）.
外部連結
- 官方網頁（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- 設計簡介（中國科學院等離子體物理研究所）
- 如果有一盞燈能被聚變之能點亮，我期望它最先在中國 - 新大陸