磁约束核聚变

上个世纪五十年代，前苏联科学家提出一种名为“托卡马克”的磁约束聚变装置，它的名字由俄文中环形、真空室、磁、线圈四个词的前几个字母组成。托卡马克通过多组线圈在环形真空室中构造出一个闭合的螺旋磁场，完成对高温等离子体的约束，聚变燃料在周而复始的运动中完成核聚变反应。

托卡马克基本结构

此外，根据磁场位形的不同，人类还曾经建造了磁镜、仿星器、球形环、紧凑环、直线箍缩、环箍缩等多种类型磁约束聚变装置。但磁约束聚变研究七十年的历史表明，基于托卡马克装置的磁约束核聚变是目前最有希望实现聚变能和平利用的途径。

等离子体运行实验中，托卡马克的典型工作工程可简述为：

（1） 在零时刻之前向环形内真空室中充入聚变气体，中心螺管磁体电流加到峰值；

（2） 零时刻，中心螺管磁体电流迅速下降，在环形真空室中产生感应电流，加速自由电子，发生碰撞电离，形成等离子体；

（3） 之后再次充入气体，增加等离子体的密度和压力，还会辅助以其他的加热和电流驱动方法。

此过程中，托卡马克可以视为一个变压器，初级线圈为欧姆加热线圈，次级线圈为等离子体。通过快速磁通变化形成环向等离子体电流，进而产生沿着截面环向的磁场，与大环方向的主磁场叠加后形成螺旋磁场。

全超导时代的开启

常规托卡马克装置使用铜导体线圈产生约束磁场，因为铜磁体存在电阻发热严重，因此只能短脉冲（约10秒）运行。未来聚变堆需要稳态运行以持续产生能量，只有零电阻的超导磁体才能实现稳态运行，因此超导装置是磁约束聚变的发展方向。

2006年，中国科学院等离子体物理研究所自主研制并建成世界上第一个全超导托卡马克实验装置EAST，标志着聚变能发展步入全超导托卡马克时代，向着实现稳态核聚变能源方向发展。EAST是由Experimental（实验）、Advanced（先进）、Superconducting（超导）、Tokamak（托卡马克）四个单词首字母拼写而成，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，中文名为“东方超环”。

东方超环（EAST）——世界首个全超导托卡马克实验装置（2006）

EAST实验系统由装置主机和辅助系统组成，中间是一个高11米、直径8米的圆柱形主机，主机部分由一个直径约5米的环形内真空室、16个纵场超导磁体、6个中心螺管超导磁体、8个极向场超导磁体、内外冷屏和杜瓦组成，主机周围则布满了各辅助加热、真空抽气、磁体冷却、等离子体诊断等系统。

EAST主要子系统

在EAST运行过程中，其主机内部同时拥有“超高温”、“超低温”、“超高真空”、“超强磁场”、“超大电流”五个极限环境：为了达到核聚变反应条件，等离子体被加热到上亿摄氏度超高温；而就在距离上亿度等离子体一米多远处，是冷却到零下269摄氏度的超导磁体，这比南极洲最低的温度记录（−89.2℃）还低了三倍；为解决超高温与超低温之间矛盾，EAST主机内被分为多个真空夹层以保持高真空状态，其气压值约为大气压的百亿分之一；对高温等离子体约束依赖于超强磁场，EAST内真空室区域的主磁场可达3.5特斯拉，是地磁场的10万倍；而产生这一磁场是由超导磁体系统承载超大电流实现，EAST超导磁体最大运行电流达16000安培，是家用插线盒最大载流的千倍以上。所以EAST的设计建造是一项极为复杂的工程，它的成功也带动了我国聚变工程技术的进步，让我们从依赖进口转身为关键技术出口。

聚变技术应用领域

EAST装置具有三大科学目标：1兆安等离子体电流、1亿度高温等离子体、1000秒运行时间。建成于2006年的EAST装置累计等离子体放电次数超过10万次，先后于2010年运行1兆安等离子体电流、2021年5月28日实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行、2021年12月30日实现1056秒长脉冲高参数等离子体运行，三大科学目标已经分别独立完成。

EAST一路向阳的突破

聚变在变，未来已来

2022年3月26日，聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）园区交付启用，这是合肥获批综合性国家科学中心后首个落户的国家重大科技基础设施项目，该设施全面建成后将是国际聚变领域参数最高、功能最完备的综合性研究平台，为聚变工程堆核心部件的研发和聚变工程堆的建设保驾护航。

聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）园区

甘于奉献、团结协作、锐意进取、争创一流，这是等离子体所聚变大科学团队的共同价值观。带着这样的理念，他们先后建成并运行了HT-6B、HT-6M、HT-7和EAST四代托卡马克实验装置，实现了我国在磁约束核聚变领域从跟跑到并跑再到部分领跑的跨越。未来，他们将继续谋划中国聚变工程堆的建设，实现我国在该领域的全面超越。他们有一个共同的梦想，就是“让聚变能的第一盏灯在中国点亮”，以此助力中国碳中和目标的早日实现。

中国聚变工程试验堆（CFETR）

（图文：中科院合肥研究院等离子体所副研究员 王腾）

来源: 中国电机工程学会