淺析EAST托卡馬克及中國核聚變相關研究

葉華龍

（中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031）

聚變能因其清潔、環保、安全、原材料儲量極其豐富等優點，被認為是人類未來理想的新能源。中國核聚變研究經過半個多世紀的發展，廣大科研工作者弘揚新時代科學家精神，在40余年的“人造太陽”核聚變征程中，凝聚成了一支特別能戰斗、特別能打硬仗、值得信賴的科研團隊（核聚變大科學工程團隊），建成并運行了四大托卡馬克裝置等多個國之重器，取得了一系列具有原創性國際領先水平的科研成果，為人類核聚變研究作出了重要貢獻。

1 建成并運行世界首個全超導托卡馬克

1.1 EAST托卡馬克裝置建設

核聚變大科學工程團隊建成世界第一個非圓截面全超導偏濾器托卡馬克EAST。它是目前國際上唯一具備與ITER類似條件，相同加熱方式；最有能力在粒子平衡時間尺度上實現長脈沖高性能運行；并挑戰與ITER接近的超過10MW/m2的靶板熱負荷的實驗平臺。建設初期，EAST項目學科涉及面廣，技術難度大，要同時具有上億溫度的“超高溫”、﹣269℃的“超低溫”、“超大電流”、“超強磁場”、“超高真空”等極限條件，許多關鍵技術在國際上尚無經驗借鑒。EAST項目于1998年立項，2000年正式獲批開工建設，2005年底完成裝置總裝。關鍵核心技術要不來、買不來、討不來的，必須依靠自力更生，依靠科技創新，歷經8年，克服重重困難，解決了一系列關鍵技術問題，自主發展數十項關鍵技術，建成系列子系統，完成裝置建設并實現工程調試一次性成功。在裝置研制過程中，還創造了若干重大創新點，如大型超導磁體、超高真空、偏濾器、超導導體生產技術等，填補國內空白。

1.2 EAST托卡馬克裝置運行成果

2006年至今，EAST裝置開展了15輪物理實驗，總放電近十萬次，核聚變大科學工程團隊在EAST裝置物理實驗運行中取得了一系列創新成果。2006-09，EAST首次等離子體放電成功；2010年實現100 s長脈沖等離子體放電；2012年獲得超過400 s的2 000萬度高參數偏濾器等離子體，獲得穩定重復超過30 s的高約束等離子體放電；2013年與DIII-D裝置首次聯合實驗獲得成功，探索出一種先進運行模式；2014年首次實現重復的完全抑制邊界局域模穩態長脈沖高約束等離子體；2016年實現電子溫度超過5千萬攝氏度、持續時間達102 s的超高溫長脈沖等離子體放電；2017年實現了穩定的101.2 s秒穩態長脈沖高約束等離子體運行世界紀錄。2018年和2019年實現高約束、高密度、高比壓的完全非感應先進穩態運行模式和電子溫度1億攝氏度等離子體運行。

針對EAST穩態高約束運行模式發展需求，在大功率加熱、低動量注入和金屬壁條件下，探索具有穩態高約束性能芯部等離子體且與偏濾器脫靶相兼容的先進運行模式；兼顧發展包括I-模、混雜運行等多種高約束模式，拓展運行區間；在類ITER未來運行條件下，集成相關加熱/加料組合、等離子體控制方法，獲得ITER未來穩態運行模式歸一化參數范圍的等離子體。開展高約束臺基物理研究，理解臺基結構的動力學演化以及臺基穩定性的問題，探索全金屬壁條件下能較好屏蔽雜質的高約束臺基運行區間。

2 自主研發聚變工程關鍵技術

2.1 樹立中國品牌形象

憑借在托卡馬克裝置上40多年的技術積累，核聚變大科學工程團隊讓中國設計和中國制造應用于ITER國際大科學工程項目。充分發揮大科學團隊優勢和大科學文化精神，組建培養了一支矢志創新、敢于挑戰、勇于擔當、追求卓越的ITER大科學工程團隊，包含科學家、工程師、加工制造等在內，從事國際熱核聚變實驗堆ITER計劃相關工作的人員約550人。其中100多人先后長期堅守在法國ITER現場，從事設計、磁體、電源、包層、真空、杜瓦、診斷、加料、控制、調試以及工程安裝等工作，基本覆蓋了ITER主機的所有核心內容。此外，有20余位科學家先后在ITER國際組織所屬的國際評估組、專家組和工作組中擔任重要職務。

2.2 創新發展關鍵技術

承擔導體、校正場線圈、超導饋線、電源、診斷等采購包。承擔的ITER部件研發任務做到了100%合格、100%國產化、產品質量和進度均處于ITER七方30多個國家之首。修正了原ITER電源、超導饋線等重大系統和部件的不合理設計，以新的設計方法以及經過實驗驗證的技術，證明了中國設計的正確性與合理性，徹底消除ITER未來運行風險，為國家爭取了大量的ITER份額。研制出世界最大電流的高溫超導電流引線，創下了高溫超導電流引線載流能力的世界最高記錄，實現了中國在高溫超導大電流引線領域應用零的突破。研制的大電流超導鎧裝導體一次性通過嚴格苛刻的國際驗證，性能居ITER各方之首，并率先交付ITER采購包首件產品。完成聚變特種電源所有關鍵技術的研發，建成國內最大功率的直流測試平臺。解決了超導磁體、超導饋線、校正場線圈、內部線圈等多項重大工程技術瓶頸，承擔了相關采購包的全部任務。

憑借先進的研發工藝和質量標準，通過國際競標贏得了歐盟無法完成的大型超導磁體PF6建造任務。總重超過400 t，外徑超過11 m的PF6線圈于2019年研制成功，2020-03由合肥始發，在克服全球新冠肺炎疫情蔓延、國際物流嚴重受阻、人員防控制約等重重不利影響的因素下，2020-06底PF6順利抵達交付目的地。PF6線圈是ITER裝置主機的最重要部分之一，位于ITER裝置超導磁體的底部，是目前國際上研制成功的質量最大、難度最高的超導磁體。PF6線圈所有關鍵制造工藝及部件全部一次性通過ITER國際組認證，雙餅制造合格率達到100%，超導接頭性能顯著優于ITER技術要求。此外還實現向發達國家的技術輸出，部分產品國際市場占有率達到100%。

3 開展全面開放共享的國際合作

3.1 國際前沿的開放實驗平臺

核聚變研究是當今國際科技合作最廣泛的研究領域之一，始終以開放共享為主旋律。核聚變大科學工程團隊立足開展以我為主的國際合作，與30余個國家和地區建立了穩定合作交流關系。EAST裝置獨特的性能、開放共享的姿態和取得的實驗成果，獲得了國際聚變界高度認可，成為國際磁約束聚變裝置中最前沿的國際開放平臺之一。團隊在第14次全球研究基礎設施高官會議上作開放共享典型案例報告，被評為中國全球開放共享重大設施的典范，同時被列入金磚國家開放的重大科技基礎設施名單。中法雙方成立聚變聯合實驗室，在EAST和WEST兩大裝置上開展合作研究；中俄合作定期研討會晤，EAST與NICA兩大裝置合作納入中俄政府科技合作內容；與歐盟開展全方位合作，已建立超過10個聯合研究工作組。EAST裝置已是國際上有能力在高參數條件下開展長脈沖聚變等離子體物理和工程技術研究的實驗平臺之一，同時是面向國內外開放的核聚變實驗平臺和研究中心。

3.2 以我為主的國際合作

核聚變大科學工程團隊全面參與合肥綜合性國家科學中心建設，正在建設國家重大科技基礎設施聚變堆主機關鍵系統綜合設施，建成具有國際領先水平的超導磁體研究系統和主機及偏濾器研究系統。發起并與歐、美、俄等主要國際聚變研究機構成立國際聚變能聯合中心，聚焦核聚變研究領域的關鍵技術研發及開展高效務實合作研究。此外，發起并推動中國聚變工程實驗堆項目，目前已經開展了中國聚變工程實驗堆項目工程設計和關鍵部件預研系列工作，旨在為世界聚變研究作出更多貢獻。

4 推動關鍵技術成果轉移轉化

面向國民經濟主戰場，核聚變大科學工程團隊在承擔大科學工程項目中自主發展的超導、電源、低溫、微波、材料等關鍵聚變工程技術，促進了國內一批高新技術企業的蓬勃發展。將超導、低溫技術應用于醫療，研制質子治療系統，即世界最緊湊型質子治療裝備，可大幅提高中國精準醫療水平和高端醫療裝備國產化水平。積極開拓新的研究領域和交叉科學，確立了低溫等離子體技術在環境、新能源、化工、新材料等領域的應用研究。對成熟的成果進行轉移轉化，成立公司或參股公司，實現良好經濟效益的同時為社會提供眾多就業崗位。

5 總結

EAST裝置獨有的非圓截面、全超導及主動冷卻內部結構三大特性，可對受控核聚變相關的前沿物理問題開展探索性的實驗研究，為未來穩態、安全、高效的先進商業聚變堆提供物理和工程技術基礎。當前，團隊正在全面提升EAST裝置性能，將進一步大力推進國際合作，針對國際熱核聚變實驗堆ITER和未來聚變工程試驗堆，深入開展近堆芯參數條件下的長脈沖等離子體物理研究，重點解決適合于未來聚變反應堆高約束穩態運行關鍵物理和技術問題，為推動國家核聚變能源事業的創新發展，為早日實現核聚變能源的開發利用而不懈奮斗。