[科普中国]-稳态聚变核反应堆

概述

核聚变（nuclear fusion），又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应。核是指由质量小的原子，主要是指氘，在一定条件下（如超高温和高压），只有在极高的温度和压力下才能让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核（如氦），中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。

发展历程能源是社会发展的基石。托卡马克是未来实现受控核聚变能的主要研究途径之一，经过各国科学家们近六十年的努力，在托卡马克装置上产生聚变能的科学可行性已被证实，其研究正朝着稳态高约束先进等离子体运行的方向进行。能否在高参数高约束模式下实现反应堆要求的稳态先进运行模式，是直接关系到托卡马克未来能否建成聚变示范反应堆并实现商用化的重要科学问题，这也是未来国际热核聚变实验堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）能否成功运行的关键。我国自行设计研制的EAST（Experimental AdvancedSuperconducting Tokamak）装置是主动水冷非圆截面全超导托卡马克装置，于2006年实现等离子体运行，是世界上少数和ITER类似的装置，其研究经验和实验结果可以直接为ITER装置所参考。

中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所承担的“聚变堆稳态高约束先进运行模式的探索和机理研究”项目，依据2015年度国家磁约束核聚变能发展研究专项的申报指南提出申请，主要目标是以EAST全超导托卡马克装置为依托，以ITER关注的关键科学问题和科学目标为牵引，以具体的实验研究与数值模拟相结合为手段，与各类装置实验结果相比较及相互验证，针对ITER和未来聚变反应堆高性能稳态运行问题，开展广泛的国内国际合作与交流，建立国际联合实验研究小组。

在EAST托卡马克实验装置上，重点开展与堆芯相关的高性能等离子体稳态运行的集成实验研究。探索和发展适用于未来示范堆条件的先进运行单元新技术和新方法。通过托卡马克完全非感应电流驱动的数值模拟、稳态先进运行方案的理论设计和预研，探索实现高比压、高自举电流稳态等离子体的有效方法，研究其相关的物理机制及其应用于未来聚变反应堆的可行性。利用低杂波实现及维持超长脉冲电流驱动，实现电流分布控制及约束改善的稳态运行模式。利用低杂波、射频波（ICRH，ECRH）、中性束的联合集成，开展等离子体主要参数分布控制及改善约束的稳态运行模式的实验探索，研究稳态高约束等离子体安全运行保障的关键技术，为将来ITER和反应堆的稳态运行提供研究积累和实验依据，并培养一支能参加未来ITER科学实验和运行的国内高水平的科学研究队伍。

经过项目团队的不懈努力，在EAST实验上通过集成运行演示了多种稳态高约束模式运行方案，实现了归一化极向比压达到2.0，自举电流份额超过35%的高性能等离子体；在钨偏滤器下，利用射频波加热与电流驱动获得了101秒完全非感应的稳态高约束运行模式；基于偏振干涉仪的电流剖面分布测量发展了EAST装置的动理学平衡重建。通过中美合作，在DIII-D装置上成功模拟EAST条件获得具体内部输运垒（ITB）的高比压（βN～3.3）高自举电流(fbs～80%)的完全等离子体（H98～1.5；结合数值模拟与EAST实验，揭示了Shafranov位移在此运行模式中的较强致稳作用，并从实验上观察到ITB的形成存在阈值。通过研究低杂波与等离子体相互耦合的机理，阐明了由于低杂波径向电场引起的极向不对称性，提出了高电子密度下提高电流驱动效率的途径；并结合理论模拟证实了低杂波有效控制电流密度分布的方法。自主发展了两套大视场红外内窥镜成像诊断系统，提高了测量的时空分辨率和观察视场，保证了装置的安全运行。1