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中国首座核聚变超导托卡马克实验装置退役

  据悉,自1990年初苏联库尔恰托夫原子能研究所赠送T-7托卡马克装置给中国后,时任等离子体所所长霍裕平院士集中全所人力、财力投入装置建设,对T-7及其低温系统进行了根本性的改造。1994年,更名为HT-7的大科学装置正式建成,首次工程成功调试并获得等离子体。其成功研制,使中国成为继俄、法、日之后第四个拥有超导托卡马克装置的国家。

  建成后的HT-7是一个可产生长脉冲高温等离子体的中型聚变研究装置。其主要目标是获得并研究长脉冲准稳态高温等离子体,检验和发展与其相关的工程技术,为未来稳态先进托卡马克聚变堆提供工程技术和物理基础。

  HT-7运行后,队伍中的主要骨干也成为建设世界首个全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)的各方面负责人,直接参与国际热核聚变实验堆(ITER)计划,为等离子体所及中国聚变研究事业的持续发展奠定了坚实的人才基础。2012年10月12日,HT-7进行了最后一次放电实验,在职业生涯上画了一个完美句号。

  在服役的近20年中,HT-7在推动聚变研究、人才培养等方面取得了诸多成就,已成为中国聚变事业的重要里程碑。日前,在历经退役必要性论证、退役实施方案论证、环评验收与设备监测等工作后,HT-7正式被中国科学院和环保部批准退役,成为我国首个获批退役的大科学工程装置。

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  可控核聚变,世界下一代能源的真正希望

  聚变能是无污染、无放射性核废料、资源无限的理想能源,是目前认识到的可以最终解决人类能源和环境问题的最重要的途径之一。

  托卡马克,目前最可能实现的可控核聚变发电方式

  磁约束聚变是利用强磁场这一磁容器来约束高温等离子体,并进而将其加热至上亿度,从而维持连续的热核反应,并将其巨大的能量转化为电能。

  受控核聚变研究在经济等方面有着巨大潜力,因此各核大国每年投入研究经费都达数亿美元。20世纪50年代初期,前苏联科学家提出托卡马克的概念。托卡马克(TOKAMAK)在俄语中是由环形、真空、磁、线圈几个词组合而成,依靠等离子体电流和环形线圈产生的强磁场,将极高温等离子体状态的聚变物质约束在环形容器里,以此来实现聚变反应。1954年,第一个托卡马克装置在原苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。70年代初,在苏联T3托卡马克上获得超过1000万度的等离子体,国际上很快形成了较大规模,以托卡马克为主流的磁约束研究方向。

  中国托卡马克装置研究进展

  HT-7(1995-2013)从苏联赠送的核心装置起步

  西南物理研究院于1984年建成中国环流器一号(HL-1),1995年建成中国环流器新一号。中国科学院等离子体物理研究所在苏联1990年赠送我国的一套纵向超导托卡马克实验装置T-7基础上起步,于1995年建成超导装置HT-7。

  经等离子体物理研究所的不断改进,它已成为一个宠大的实验系统。它包括HT-7超导托卡马克装置本体、大型超高真空系统、大型计算机控制和数据采集处理系统、大型高功率脉冲电源及其回路系统、全国规模最大的低温氦制冷系统、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热系统以及数十种复杂的诊断测量系统。在十几次实验中,取得若干具有国际影响的重大科研成果。特别是在2003年3月31日,实验取得了重大突破,获得超过1分钟的等离子体放电,最长放电时间达到63.95秒;这是继法国之后第二个能产生分钟量级高温等离子体放电的托卡马克装置。

  EAST(2006-)全超导托卡马克

  在HT-7的基础上,等离子体物理研究所研制和设计了全超导托卡马克装置HT-7U,后来名字更改为EAST或者称实验型先进超导托卡马克(ExperimentalAdvancedSuperconductingTokamak)是世界上第一个全超导托卡马克。

世界上第一个全超导托卡马克装置,中国EAST装置

世界上第一个全超导托卡马克装置,中国EAST装置

  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。

EAST超导托卡马克装置


  ITER(仍在研制)与世界共同努力突破可控核聚变关键的难关

  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,宣布退出ITER计划。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810年,运行期20年。


  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。最终,七个主要参与方(中、美、俄、印、欧、日、韩)于2006年11月签了建设ITER的国际协定。

  作为聚变能实验堆,ITER的目标是产生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。

  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。

  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。

  远景:2020,实现自主制造发电示范堆,彻底解决下一代能源问题

  中科院于2007年发布的中国超导托卡马克研究现状文章中提到:未来10年,我国应充分吸收国内外聚变堆设计的经验,通过参加ITER掌握实验堆的关键技术,在我国近20年聚变堆设计的基础上,自主设计中国聚变堆,并对其中最为关键的技术进行预研和发展,使我国在2020年前后形成具有自主研发设计制造聚变示范堆的能力,跨入世界核聚变能研究开发的先进行列。

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