“東方超環”創造兩項世界紀錄

吳長鋒

截至7月10日，中科院等離子體所的東方超環（EAST）超導托卡馬克2012年物理實驗順利結束。在四個多月的實驗期間，科學家們創造了兩項托卡馬克運行的世界紀錄：獲得超過400秒的兩千萬度高參數偏濾器等離子體；獲得穩定重復超過30秒的高約束等離子體放電。這分別是國際上最長時間的高溫偏濾器等離子體放電、最長時間的高約束等離子體放電，標志著我國在穩態高約束等離子體研究方面走在國際前列。

托卡馬克是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環性容器，是由蘇聯的阿齊莫維齊等人在20世紀50年代發明的。中科院等離子體所在成功建設中國第一個超導托卡馬克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，該計劃在國際上通稱EAST，即“東方超環”。

“東方超環”于2007年建成并開始科學實驗。在國家科技部ITER專項、國家基金委、中科院等部門的支持下，科學實驗不斷深入，近年來已吸引大批國外科學家來華開展科學實驗，美國能源部已將EAST列為未來美國磁約束聚變合作的首選裝置。自今年2月開始本輪EAST科學實驗以來，超過100位的國外科學家來華開展廣泛的合作研究。實驗中，國內外科學家們圍繞高參數長脈沖等離子體相關科學技術問題開展了大量的科學實驗，取得了一系列新結果和大量的科學實驗數據。

據介紹，高參數、高約束模式偏濾器等離子體是未來聚變托卡馬克放電的最基本運行方式。我國參加的國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目的首要目標是實現400秒的高約束等離子體，但實現該科學目標尚面臨眾多科學和技術（物理和工程）上的挑戰。目前，國際上大部分托卡馬克的偏濾器等離子體持續時間均在20秒以下，歐盟和日本科學家曾獲得最長為60秒的高參數偏濾器等離子體。本次實驗，我國科學家針對未來ITER400秒高參數運行的一些關鍵科學技術問題，如等離子體精確控制、全超導磁體安全運行、有效加熱與驅動、等離子體與壁材料相互作用等，開展了全面的實驗研究，獲得了411秒的中心等離子體密度約2×1019m-3、中心電子溫度大于2000萬攝氏度的高溫等離子體。

長期以來，實現長時間高約束放電一直是國際聚變界挑戰極大的前沿課題。目前正在運行的托卡馬克的高約束放電時間大都在10秒以下。2003年，日本JT-60U裝置（已退役）曾利用強流中性束加熱實現一次28秒的高約束等離子體放電，這是目前放電時間最長的一次。在本輪EAST實驗中，我國科學家利用低雜波與射頻波協同方法，實現了穩定重復的超過32秒的高約束等離子體放電。我國科學家所用的方法獨特、經濟、有效，為未來國際熱核聚變實驗堆（ITER）提供了一條高效實現高約束放電的新途徑。