論“人造太陽(yáng)”東方超環(huán)（EAST）全超導(dǎo)托卡馬克裝置發(fā)展歷程與意義

一、選題背景

目前，隨著人類社會(huì)的發(fā)展，對(duì)能源的需求日益增加。以我國(guó)為例，2023年我國(guó)全社會(huì)發(fā)電量達(dá)到了7.42萬(wàn)億千瓦時(shí)，其中火力發(fā)電量為5.28萬(wàn)億千瓦時(shí)，我國(guó)電力行業(yè)仍然十分依賴化石燃料發(fā)電。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，化石燃料作為一種不可再生資源終有枯竭之時(shí)，并且大量使用化石燃料所帶來(lái)的嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題使得我們不得不尋求清潔能源。

根據(jù)我國(guó)提出的“十四五”規(guī)劃，其中提出要推進(jìn)能源領(lǐng)域的革命，建設(shè)節(jié)能低碳、安全高效的能源體系，加快發(fā)展非化石能源，提升清潔能源消納和儲(chǔ)存能力。如今，如火如荼地正在發(fā)展的新能源技術(shù)，如風(fēng)能發(fā)電、水能發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等新能源產(chǎn)電具有受限于天氣、環(huán)境和地理?xiàng)l件等因素，具有不穩(wěn)定，產(chǎn)能不連續(xù)等缺點(diǎn)。目前采用核裂變的核電站需要使用大量的放射性物質(zhì)，而EAST中的核聚變反應(yīng)所需的原材料是在海水中儲(chǔ)量巨大的氘，可謂是取之不盡，用之不竭。該能量密度數(shù)值非�？捎^，據(jù)測(cè)算，1L海水中含有的氘在聚變反應(yīng)之后產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300L汽油燃燒后產(chǎn)生的能量。掌握這樣的在恒星中產(chǎn)生的反應(yīng)，其意義無(wú)異于普羅米修斯盜火，為了能夠獲得這樣的無(wú)限能源，各國(guó)科研人員在艱難攀登。

所面臨的最主要的問(wèn)題即是聚變反應(yīng)產(chǎn)生的上億攝氏度的超高溫使得反應(yīng)無(wú)法在一般的容器中發(fā)生，一度使得相關(guān)研究陷入了瓶頸。1968年，由蘇聯(lián)科學(xué)家阿齊莫維奇率先提出的托卡馬克裝置，它工作中產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場(chǎng)，使得其中的超高溫的等離子狀態(tài)的聚變物質(zhì)被強(qiáng)磁場(chǎng)約束在強(qiáng)磁場(chǎng)中，此類裝置給各國(guó)科學(xué)家?guī)��?lái)了希望的曙光。2002年,歐盟、日本、俄羅斯三方開(kāi)始協(xié)商ITER計(jì)劃并且邀請(qǐng)中美兩國(guó)加入，2003年中美先后加入?yún)f(xié)商，接下來(lái)形成了中、美、俄、日、韓、歐、印七個(gè)成員國(guó)的格局，至此，ITER已成為繼國(guó)際空間站之后的又一個(gè)國(guó)際間的重大科學(xué)工程計(jì)劃，該項(xiàng)目的推進(jìn)可能決定了人類的能源問(wèn)題能否根本解決。

二、東方超環(huán)（EAST）簡(jiǎn)介

中國(guó)科學(xué)院等離子物理研究所在蘇聯(lián)贈(zèng)送的T-7裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造形成了我國(guó)第一個(gè)超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7，我國(guó)工程院院士萬(wàn)元熙做出如下論斷：“全超導(dǎo)托卡馬克是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行必要的工程技術(shù)基礎(chǔ)”。1998年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)了“HT-7U”的立項(xiàng)�？蒲泄リP(guān)團(tuán)隊(duì)在研究過(guò)程當(dāng)中面臨著許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題毫無(wú)任何借鑒的可能。既然關(guān)鍵技術(shù)要不來(lái)、買不來(lái)、討不來(lái)的，那么必須依靠自力更生。2002年項(xiàng)目的名稱正式改稱“EAST”既包含了“先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克”同時(shí)也具有“東方”的含意。裝置于2005年完成總裝，2023 年實(shí)現(xiàn)一百秒的長(zhǎng)脈沖等離子體放電；2023年獲得超過(guò)四百秒的兩千萬(wàn)度高參數(shù)偏濾器等離子體，獲得穩(wěn)定重復(fù)超過(guò)三十秒的高約束等離子體放電；2023 年與DIII-D裝置的首次聯(lián)合實(shí)驗(yàn)十分順利且探索出一種先進(jìn)運(yùn)行模式；2023年首次實(shí)現(xiàn)重復(fù)的完全抑制邊界局域模穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體；2023 年實(shí)現(xiàn)電子溫度超過(guò)五千萬(wàn)攝氏度、持續(xù)時(shí)間達(dá)一百零二秒的超高溫長(zhǎng)脈沖等離子體放電；2023 年實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的一百零一秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行世界紀(jì)錄。2023 年和2023 年實(shí)現(xiàn)高約束、高密度、高比壓的完全非感應(yīng)先進(jìn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式和電子溫度1 億攝氏度等離子體運(yùn)行。2023 年12 月，我國(guó)最新一代“人造太陽(yáng)”裝置――中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M 裝置在蓉建成放電實(shí)驗(yàn)獲得成功，標(biāo)志著中能夠充分掌握大型先進(jìn)的托卡馬克裝置的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行。中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M 裝置作為我國(guó)最大型性能最高的托卡馬克裝置，采用更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)和控制方式，等離子體體積達(dá)到國(guó)內(nèi)現(xiàn)有裝置2 倍以上，特別需要注意的是等離子體電流強(qiáng)度能夠提高到2.5 MA以上，其內(nèi)部的可耐受的等離子體離子溫度可達(dá)到一點(diǎn)五億度，能實(shí)現(xiàn)高密度、高比壓、高自舉電流運(yùn)行，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)核聚變能開(kāi)發(fā)事業(yè)跨越式發(fā)展的重要依托裝置，也是我國(guó)消化吸收ITER 技術(shù)不可或缺的重要平臺(tái)。在HL-2M 裝置建設(shè)過(guò)程中，裝置物理層面和結(jié)構(gòu)層面的設(shè)計(jì)、特殊材料研制、連接與關(guān)鍵部件研發(fā)集成等方面取得了多項(xiàng)突破，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了可拆卸線圈結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了控制運(yùn)行水平，提升了裝置物理實(shí)驗(yàn)研究能力；攻克了高鎳合金雙曲面薄壁件大型真空容器模壓成型和焊接變形控制等關(guān)鍵技術(shù)；掌握了具有國(guó)際先進(jìn)水平的異形銅合金厚板材制造成型工藝，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度膨脹螺栓組件的自主國(guó)產(chǎn)化；研制成功國(guó)際先進(jìn)水平的國(guó)內(nèi)首臺(tái)大型立軸脈沖發(fā)電機(jī)組。依托此類裝置獲得的相當(dāng)一部分的先進(jìn)技術(shù)，已經(jīng)逐步應(yīng)用在了其他的領(lǐng)域，例如航空、航天、電子等前沿領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用。

EAST裝置主機(jī)高度為十一米，直徑為八米，重四百噸，由超高真空室、縱場(chǎng)線圈、極向場(chǎng)線圈、內(nèi)外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統(tǒng)等部件組成。主機(jī)周圍布滿了各種附屬系統(tǒng)。

三、總結(jié)

能源危機(jī)的解決往往是能源動(dòng)力領(lǐng)域的一項(xiàng)終極問(wèn)題，解決能源問(wèn)題利于解決人類生存的瓶頸問(wèn)題，使得人類的發(fā)展和生存環(huán)境到達(dá)一個(gè)新的紀(jì)元。

托卡馬克裝置使得可控核聚變變成可能，然而這種磁場(chǎng)的強(qiáng)度需要能夠使得上億度的等離子體控制在磁籠當(dāng)中，因此這樣的磁場(chǎng)強(qiáng)度比地球南北極的磁場(chǎng)強(qiáng)度高出兩萬(wàn)倍以上，然而因其儲(chǔ)能非常高且聚變的產(chǎn)物非常清潔，其聚變產(chǎn)生的產(chǎn)物為氦氣，非常安全清潔，無(wú)當(dāng)前核電站事故后的放射性物質(zhì)泄漏隱患，經(jīng)過(guò)50年的發(fā)展我國(guó)的托卡馬克裝置已經(jīng)能夠做到能量?jī)舢a(chǎn)出，然而這樣的結(jié)果是在十分短暫的時(shí)間，其主要原因是托卡馬克裝置使用的線圈的電阻無(wú)端浪費(fèi)了大量的電能，因此我國(guó)必須發(fā)展全超導(dǎo)托卡馬克裝置，這就意味著要把上億度的火球裝在一個(gè)接近絕對(duì)零度的籠子當(dāng)中，這樣的一個(gè)矛盾可以說(shuō)是一個(gè)瓶頸，當(dāng)然這樣的矛盾往往是可以通過(guò)科研攻關(guān)來(lái)進(jìn)行解決，只要思想不滑坡，方法總比困難多，最后使用了五層真空技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一億度與零下270度的結(jié)合，這樣的先進(jìn)技術(shù)使得我國(guó)在ITER這樣的組織當(dāng)中獲得了相當(dāng)?shù)脑捳Z(yǔ)權(quán)，這項(xiàng)技術(shù)可以說(shuō)是我國(guó)再一次走在了世界尋求終極能源解決方案的前列，完全掌握了關(guān)鍵技術(shù)，也大大推動(dòng)了人類在可控核聚變及其能量的利用方面的進(jìn)度。