大型非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)是我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置,2007 年正式投入运行,也是世界上第一个投入运行的全超导托卡马克装置,具有非圆截面、全超导及主动冷却内部结构三大特点,有利于探索等离子体稳态先进运行模式。EAST 虽然比国际热核聚变实验堆(ITER)小,但位形与之相似且更加灵活,其工程建设和物理研究可为ITER和未来中国聚变工程实验堆(CFETR)的建设和稳态运行提供直接经验,进而为支持聚变能发展作出贡献。目前ITER仍在建设阶段,计划 2025 年开始调试运行,其间 EAST 将是国际上极少数可开展与 ITER 相关的稳态先进等离子体科学和技术问题研究的重要实验平台。近年来,EAST 辅助加热系统正式投入运行,EAST 已经拥有多种 ITER 相同的高功率辅助加热和电流驱动手段,加上一批新诊断的建成,EAST 物理研究能力得到了极大的提升,为未来开展高水平的科学实验奠定了坚实的基础。
瞄准国际核聚变能研发前沿,开展国内外联合科学研究,依托全超导托卡马克 EAST 装置开展稳态、安全、高效运行的先进托卡马克聚变反应堆基础物理和工程问题实验研究,为我国工程实验堆的设计建造提供科学依据,推动等离子体物理学科、相关学科和技术的发展。探索等离子体稳态先进运行模式,为 ITER 项目的建设提供直接经验并为未来聚变实验堆提供重要的工程和物理实验基础。主要学术研究方向为:
1998年7月,原国家计委下文同意由中国科学院等离子体物理研究所建设“九五”国家重大科学工程——大型非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置 ——HT-7U;2000 年 10 月工程开工建设。2003 年 10 月HT-7U 改名为 EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)。2006年,EAST 工程全面、优质建成,同年 10 月和次年 2 月 EAST 装置进行了 2 次放电调试,成功获得了稳定、重复和可控的各种磁位形高温等离子体。2007 年 3 月 1 日,EAST 项目通过国家验收。从此,EAST ——世界上第一个非圆截面全超导托卡马克正式投入运行,为世界聚变物理和工程研究搭起了一个重要的实验平台,也使我国成为世界上首个掌握新一代先进全超导托卡马克技术的国家,为我国磁约束核聚变研究奠定了坚实基础。EAST 的建成和投入运行受到了国际同行的高度赞誉,Science 和 Nature 杂志曾先后专题报道。该成果获 2008 年度国家科学技术进步奖一等奖,被评为 2006 年度“中国十大科技进展”“中国基础研究十大新闻”等,项目团队被授予 2013 年度国家科技创新团队奖。
EAST 获得稳定重复的 1 MA 等离子体放电,实现了 EAST 的第一个科学目标
2010 年,EAST 在中等密度(2—3×1019m−3)下获得了稳定重复的 1 MA 等离子体放电,实现了 EAST 的第一个科学目标,这也是当时超导装置上所达到的最高参数。在纯欧姆放电条件下,等离子体电流可以稳定地达到 0.8 MA;在低杂波电流驱动的辅助下,获得了稳定可重复的 0.8 MA 的高密度拉长的等离子体放电,最高线 万度;为开展高参数、高约束的等离子体物理研究创造了条件,也使正常的物理实验可在等离子体电流为 0.4—0.8 MA 的条件下开展。该成果标志着 EAST 进入了开展高参数等离子体物理实验的阶段。EAST 实现超过 400 s 的高参数偏滤器和长脉冲高约束等离子体放电,再创纪录2012 年度,EAST 在核聚变这一前沿研究领域的工程技术和物理研究两方面都取得了重大进展,并创造了两项新的托卡马克运行记录:实现了超过 400 s 的偏滤器等离子体长脉冲运行,顺利获得了超过 30 s 的高性能 H-模等离子体状态;并且在探索长脉冲、先进偏滤器运行的过程之中,取得了许多崭新的研究成果。相关研究成果在第 24 届国际原子能机构聚变能源大会(IAEA-FEC)上做综述报告,相关论文发表在 Nuclear Fusion 以及 Fusion Sci. Technol.上。
国家“十一五”重大科学技术基础设施“EAST 辅助加热系统”是 EAST 的二期工程,国家发改委于 2008 年 7 月立项,建设周期 4 年。工程于 2011 年 11 月开工建设,2015 年 2 月通过国家验收。该工程突破了一系列关键技术难题,高质量、提前完成了国家发展改革委批复的EAST辅助加热项目的建设任务,进一步提升了我国大规模自主研发聚变关键技术和系统的能力,建成了自主知识产权的低杂波电流驱动系统和中性束注入加热系统,低杂波系统性能达到国际领先水平,中性束注入系统性能达到国际先进水平,为未来 EAST 开展高水平的科学实验奠定了坚实的基础。2016 年 2 月,EAST 辅助加热系统投入运行 1 年后,EAST 等离子体物理参数达到放电时间 100 s、等离子体温度 5 000 万度。
在2017年物理实验中,EAST再获重大突破:在纯射频波加热、钨偏滤器等接近 ITER 运行条件下,实现了101.2 s 的稳态长脉冲高约束等离子体运行,创造了新的世界纪录。这标志着EAST变成全球上第一个实现稳态高约束模式运行持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置。这一里程碑意义的重要突破,表明我国磁约束聚变研究在稳态运行的物理和工程方面将继续引领国际前沿,为未来 ITER 和 CFETR 长脉冲高约束运行提供重要的科学和实验支持。该成果被评为 2017 年度“中国十大科技进展新闻”和“国内十大科技新闻”。
通过系统的 EAST 物理实验解决了射频波高效加热、非感应电流驱动等关键科学和技术难题;在高约束等离子体获取与维持,边界局域模控制等前沿稳态物理研究上取得系列重要突破,最终在我国 EAST 上率先成功示范了基于射频波驱动的高约束稳态运行模式,为发展面向未来聚变堆的稳态聚变途径作出了重大贡献。研究成果发表在顶级学术期刊 Nature Physics 上,这也是国内磁约束聚变科学领域首次在该期刊上发表论文。英国 Culham 聚变能研究中心的首席科学家 William Morris 在该期刊上撰文,认为“EAST 上实现的长脉冲等离子体标志着聚变的又一个重要的进展,对未来 ITER 实现高性能运行具备极其重大的启示意义”。基于射频波驱动的托卡马克高约束稳态运行研究集体在磁约束聚变领域权威期刊 Nuclear Fusion 发表的论文连续 6 年入选期刊的年度亮点文章,在 IAEA 国际聚变能大会作大会报告 6 次,对于提升我国在磁约束核聚变研究领域的研究水平和国际影响力产生了积极的推动作用,使我国在稳态磁约束聚变研究方面跻身国际前列。该研究集体获得 2018 年中国科学院杰出成就奖。
2018 年,EAST 在纯射频波加热、钨偏滤器等接近国际热核聚变实验堆(ITER)运行条件下,在超低碰撞区(ν*~0.02)实现中心电子温度超过 1 亿度的完全非感应等离子体放电,顺利实现 EAST 的三大科学目标之一,是 EAST 又一重要里程碑。EAST 此次实验获得的归一化参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件。依据实验定标率外推,该成果相当于 ITER 装置实现芯部电子温度高达 2 亿度的稳态运行。这一重要突破,标志着 EAST 在高功率加热下堆芯物理机制研究方面取得突破性进展,对未来 ITER 和 CFETR 建设和运行具有重大的科学意义。该成果被评为 2018 年度“中国核能行业十大新闻”及中国核学会“核领域十大新闻”。