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第二届安徽省创新争先奖获得者先进事迹——EAST托卡马克创新团队——不忘初心勇创新 照亮终极能源梦

信息来源:安徽省科学技术协会    被阅览数:2532 次    发布日期:2021-07-23 【字体大小:放大 缩小

EAST全超导托卡马克装置。

 

能源是驱动万物运行的根本动力。作为人类未来理想的清洁能源之一,聚变能源既可以充分满足人类需求,又没有污染环境和危害人类、生物的弊端。全超导托卡马克作为一种磁约束核聚变实验装置,目标是让氢的同位素氘和氚在高温条件下像太阳一样进行核聚变,为人类提供清洁能源,所以也被称为“人造太阳”。

中科院合肥研究院等离子体物理研究所的EAST托卡马克创新团队瞄准世界核聚变科学前沿和国家战略能源需求,以探索聚变新能源为目的,长期从事高温等离子体物理、磁约束核聚变工程技术研究。近年来,先后在托卡马克运行模式发展、高参数等离子体运行、边界等离子体热流和粒子控制等磁约束核聚变基础研究方面取得了重要突破,为聚变能源的开发和应用做出了重要贡献。

自主创新

让世界听见中国声音

20世纪50年代开始,我国就开始了在可控核聚变领域的研究。通过科研人员的不懈努力,1994年,我国第一个圆截面超导托卡马克核聚变实验装置“合肥超环”研制成功,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。1998年7月,全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)正式立项。2000年10月,EAST正式开工建设。

“我们要在没有任何经验可借鉴的情况下,造出一个需要同时承载大电流、强磁场、超高温、超低温、高真空、高绝缘等复杂环境的装置,这对工艺设计和材料提出了极高的要求。”中科院合肥研究院等离子体物理研究所所长宋云涛告诉记者,为了达到聚变实验装置所要求的条件,EAST托卡马克创新团队自主创新,自主设计、研发了大部分具有我国自主知识产权的关键技术,创造性地完成了EAST装置主机的总体工程设计。2006年3月,EAST成功进行了首次工程调试。2006年9月26日,EAST首次物理实验成功获得高温等离子体……

在对受控热核聚变探索过程中,越来越多国家的科研人员认识到“人造太阳”国际大科学装置规模大、建设周期长、投资成本高,是一国所难以独力承受的。1985年,美苏提出了国际热核聚变实验堆(ITER)计划,但一直将我国拒之门外,其中主要原因是我国的科研水平还不高。随着EAST研制工作推进,这个局面逐渐被改变。2003年,我国正式以独立的“平等伙伴”身份加入了ITER计划谈判。

“加入ITER计划前,国际主流聚变会议上,几乎没有我们的声音。如今,我国越来越多的学者获邀在大会作主题报告、口头报告,甚至担任会议主席。”宋云涛说,加入ITER计划后,我国逐渐走向世界聚变舞台的中心。

攻坚克难

硕果累累引领国际前沿

实现核聚变发电的两大难点是如何实现上亿度点火和稳定长时间约束控制。面对高难度挑战,EAST托卡马克创新团队通过集体攻关与集成优化,解决了近堆芯高参数等离子体的实现、维持等与稳态运行密切相关的关键物理问题,发展了高性能等离子体的加热与电流驱动、偏滤器热排除等核心技术,于2019年在类似ITER的运行条件下,在国际上率先获得61秒的稳态高极向比压、高约束等离子体,大于ITER的基本运行模式,并接近中国聚变工程试验堆(CFETR)聚变功率1GW的稳态运行模式;自举电流份额超过了50%,达到ITER稳态运行模式设计水平,集中展示了我国在稳态运行物理和工程方面的国际领先水平。

2018-2020年,团队在纯射频波加热、钨偏滤器等类似ITER运行条件下,在超低碰撞区首次实现中心电子温度超过一亿度的完全非感应等离子体运行并维持20秒,成功地揭示了多尺度物理和电子内部输运垒两方面的关键机理。今年5月28日,团队成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行,将1亿摄氏度20秒的原纪录延长了5倍,进一步证明了核聚变能源的可行性,也为迈向商用奠定物理和工程基础。

在高参数稳态运行实验条件下,团队还成功发展了偏滤器热和粒子的主动控制技术,探索出多种抑制边界局域模的新方法,并获得了小幅度边界局域模高性能稳态运行模式;解决了高功率长脉冲运行下的等离子体与壁相互作用关键问题,同时实现并维持了芯部等离子体的高约束性能,揭示了边界等离子体与芯部高性能相兼容的物理机制,为未来反应堆稳态运行的芯部与边界相兼容的关键难题提供了新的物理途径。

多年来,EAST托卡马克创新团队秉承“甘于奉献、团结协作、锐意进取、争创一流”的大科学文化精神,不忘科技报国初心、牢记科技强国使命,保持大视野大格局大胸怀,谋大事干大事成大事,为未来聚变堆的稳态、安全和经济运行提供了新思路、新方法和新途径,具有重要的科学意义。

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