曦合超导科技有限公司

高温超导首页 - 高温超导

我国的核聚变之路

日期：2023/2/15 来源：曦合超导

托克马克介绍

托卡马克(Tokamak)核聚变是一种利用磁约束来实现受控的核聚变。它的名字Tokamak来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。

聚变能是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核并释放出的能量。太阳就是典型的核聚变的产物，其实，人类已经实现了氘氚核聚变—氢弹爆炸，但由于能量瞬间释放不可控因素较大，故而人类更需要受控核聚变。维系聚变的燃料是氢的同位素氘和氚，氘在地球的海水中有极其丰富的蕴藏量。经测算，1升海水所含氘产生的聚变能等同于300升汽油所释放的能量。海水中氘的储量可使人类使用几十亿年。特别的是，聚变产生的废料为氦气，是清洁和安全的。因此，聚变能量是一种无限的、清洁的、安全的新能源。这就是世界各国尤其是发达国家不遗余力竞相研究、开发聚变能的根本原因。

受控热核聚变能的研究主要有两种--惯性约束核聚变和磁约束核聚变。前者利用超高强度的激光在极短的时间内辐照氘氚靶来实现聚变，在2022年12月13日，美国能源部宣布，由美国政府资助的加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL），首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”（Net energy gain），被视为核能技术发展的重大突破，是人类向拥有“近无限、安全、清洁”的能源进程中的关键一步。

后者则利用托卡马克装置中的强磁场可以很好地约束带电粒子的特性，将氘氚气体约束在一个特殊的磁容器中并加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。经过近半个世纪的努力，在托卡马克上产生聚变能的科学可行性已被证实，但相关结果都是以短脉冲形式产生的，与实际反应堆的连续运行有较大距离。超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，是受控热核聚变能研究的一个重大突破。

中国的托克马克（EAST）

中国在1956年制定的“十二年科学规划”中决定开展核聚变研究，经过不懈努力，到二十世纪八十年代，建成了中国环流器一号HL－1以及HT－6B、HT－6M等一批有影响的聚变研究实验装置。

EAST装置是我国自行设计研制的国际首个 “全超导非圆截面托卡马克”核聚变实验装置，其主要的技术特点是包含有16个大型的D型超导线圈，12个大型极向场超导磁体提供磁通变化，在高功率下加热等离子体超过1亿度。它同时具有复杂的极限环境，“超高温”、“超低温”、“超大电流”、 “超强磁场”、“超高真空”等极限条件，工程难度之大超乎想象，它的成功建设和运行是中国可控核聚变研究的里程碑式突破。

EAST原名“HT-7U全超导非圆截面托卡马克装置”，为使国内外专家易于发音、便于记忆同时又有确切的科学含义，项目的名称在2003年10月正式由HT-7U改为EAST。它由四个单词的首字母拼写而成——实验“Experimental”、先进“Advanced”、超导“Superconducting”、托卡马克“Tokamak”，它的中文意思是“先进实验超导托卡马克”，同时具有“东方”的含意。中文名称为“东方超环”。

2010年

EAST成功实现了大于60多倍能量约束时间高约束模式（H模）等离子体放电、100秒1500万度偏滤器长脉冲等离子体放电，最高等离子体平均电流达1兆安。

2012年

EAST成功获得超过400秒的两千万度高参数偏滤器等离子体；获得稳定重复超过30秒的高约束等离子体放电。这两项实验结果都分别创下世界纪录，标志着我国在稳态高约束等离子体研究方面走在国际前列。

2016年2月

实现5000万℃持续时间最长的等离子体放电。2018年11月12日，EAST实现1亿℃等离子体放电。2021年5月28日，创造了可重复的1.2亿℃的高温，并且持续了101秒，同时还实现了1.6亿℃持续20秒的运行。

2021年12月30日夜

EAST再次创造新的世界纪录，实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行。这是目前世界上托卡马克装置实现的最长时间高温等离子体运行。

CFETR 中国聚变工程实验堆

聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）是国家重大科技基础设施项目，该设施目标是建成国际核聚变领域参数最高、功能最完备的综合性研究及测试平台。

CFETR分为两个目标来实现其任务，一期目标是实现稳态氘氚运行和氚自持。CFETR目标明确，最大限度利用国际合作，主要是参照ITER（国际热核聚变实验堆），争取3-5年内完成闭环工程设计和R&D建设。

中国聚变工程实验堆CFETR计划分三步走，完成“中国聚变梦”。第一阶段到2021年，CFETR开始立项建设；第二阶段到2035年，计划建成聚变工程实验堆，开始大规模科学实验；第三阶段到2050年，聚变工程实验堆实验成功，建设聚变商业示范堆，完成人类终极能源。