浅析EAST托卡马克及中国核聚变相关研究

叶华龙

（中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所，安徽 合肥 230031）

聚变能因其清洁、环保、安全、原材料储量极其丰富等优点，被认为是人类未来理想的新能源。中国核聚变研究经过半个多世纪的发展，广大科研工作者弘扬新时代科学家精神，在40余年的“人造太阳”核聚变征程中，凝聚成了一支特别能战斗、特别能打硬仗、值得信赖的科研团队（核聚变大科学工程团队），建成并运行了四大托卡马克装置等多个国之重器，取得了一系列具有原创性国际领先水平的科研成果，为人类核聚变研究作出了重要贡献。

1 建成并运行世界首个全超导托卡马克

1.1 EAST托卡马克装置建设

核聚变大科学工程团队建成世界第一个非圆截面全超导偏滤器托卡马克EAST。它是目前国际上唯一具备与ITER类似条件，相同加热方式；最有能力在粒子平衡时间尺度上实现长脉冲高性能运行；并挑战与ITER接近的超过10MW/m2的靶板热负荷的实验平台。建设初期，EAST项目学科涉及面广，技术难度大，要同时具有上亿温度的“超高温”、﹣269℃的“超低温”、“超大电流”、“超强磁场”、“超高真空”等极限条件，许多关键技术在国际上尚无经验借鉴。EAST项目于1998年立项，2000年正式获批开工建设，2005年底完成装置总装。关键核心技术要不来、买不来、讨不来的，必须依靠自力更生，依靠科技创新，历经8年，克服重重困难，解决了一系列关键技术问题，自主发展数十项关键技术，建成系列子系统，完成装置建设并实现工程调试一次性成功。在装置研制过程中，还创造了若干重大创新点，如大型超导磁体、超高真空、偏滤器、超导导体生产技术等，填补国内空白。

1.2 EAST托卡马克装置运行成果

2006年至今，EAST装置开展了15轮物理实验，总放电近十万次，核聚变大科学工程团队在EAST装置物理实验运行中取得了一系列创新成果。2006-09，EAST首次等离子体放电成功；2010年实现100 s长脉冲等离子体放电；2012年获得超过400 s的2 000万度高参数偏滤器等离子体，获得稳定重复超过30 s的高约束等离子体放电；2013年与DIII-D装置首次联合实验获得成功，探索出一种先进运行模式；2014年首次实现重复的完全抑制边界局域模稳态长脉冲高约束等离子体；2016年实现电子温度超过5千万摄氏度、持续时间达102 s的超高温长脉冲等离子体放电；2017年实现了稳定的101.2 s秒稳态长脉冲高约束等离子体运行世界纪录。2018年和2019年实现高约束、高密度、高比压的完全非感应先进稳态运行模式和电子温度1亿摄氏度等离子体运行。

针对EAST稳态高约束运行模式发展需求，在大功率加热、低动量注入和金属壁条件下，探索具有稳态高约束性能芯部等离子体且与偏滤器脱靶相兼容的先进运行模式；兼顾发展包括I-模、混杂运行等多种高约束模式，拓展运行区间；在类ITER未来运行条件下，集成相关加热/加料组合、等离子体控制方法，获得ITER未来稳态运行模式归一化参数范围的等离子体。开展高约束台基物理研究，理解台基结构的动力学演化以及台基稳定性的问题，探索全金属壁条件下能较好屏蔽杂质的高约束台基运行区间。

2 自主研发聚变工程关键技术

2.1 树立中国品牌形象

凭借在托卡马克装置上40多年的技术积累，核聚变大科学工程团队让中国设计和中国制造应用于ITER国际大科学工程项目。充分发挥大科学团队优势和大科学文化精神，组建培养了一支矢志创新、敢于挑战、勇于担当、追求卓越的ITER大科学工程团队，包含科学家、工程师、加工制造等在内，从事国际热核聚变实验堆ITER计划相关工作的人员约550人。其中100多人先后长期坚守在法国ITER现场，从事设计、磁体、电源、包层、真空、杜瓦、诊断、加料、控制、调试以及工程安装等工作，基本覆盖了ITER主机的所有核心内容。此外，有20余位科学家先后在ITER国际组织所属的国际评估组、专家组和工作组中担任重要职务。

2.2 创新发展关键技术

承担导体、校正场线圈、超导馈线、电源、诊断等采购包。承担的ITER部件研发任务做到了100%合格、100%国产化、产品质量和进度均处于ITER七方30多个国家之首。修正了原ITER电源、超导馈线等重大系统和部件的不合理设计，以新的设计方法以及经过实验验证的技术，证明了中国设计的正确性与合理性，彻底消除ITER未来运行风险，为国家争取了大量的ITER份额。研制出世界最大电流的高温超导电流引线，创下了高温超导电流引线载流能力的世界最高记录，实现了中国在高温超导大电流引线领域应用零的突破。研制的大电流超导铠装导体一次性通过严格苛刻的国际验证，性能居ITER各方之首，并率先交付ITER采购包首件产品。完成聚变特种电源所有关键技术的研发，建成国内最大功率的直流测试平台。解决了超导磁体、超导馈线、校正场线圈、内部线圈等多项重大工程技术瓶颈，承担了相关采购包的全部任务。

凭借先进的研发工艺和质量标准，通过国际竞标赢得了欧盟无法完成的大型超导磁体PF6建造任务。总重超过400 t，外径超过11 m的PF6线圈于2019年研制成功，2020-03由合肥始发，在克服全球新冠肺炎疫情蔓延、国际物流严重受阻、人员防控制约等重重不利影响的因素下，2020-06底PF6顺利抵达交付目的地。PF6线圈是ITER装置主机的最重要部分之一，位于ITER装置超导磁体的底部，是目前国际上研制成功的质量最大、难度最高的超导磁体。PF6线圈所有关键制造工艺及部件全部一次性通过ITER国际组认证，双饼制造合格率达到100%，超导接头性能显著优于ITER技术要求。此外还实现向发达国家的技术输出，部分产品国际市场占有率达到100%。

3 开展全面开放共享的国际合作

3.1 国际前沿的开放实验平台

核聚变研究是当今国际科技合作最广泛的研究领域之一，始终以开放共享为主旋律。核聚变大科学工程团队立足开展以我为主的国际合作，与30余个国家和地区建立了稳定合作交流关系。EAST装置独特的性能、开放共享的姿态和取得的实验成果，获得了国际聚变界高度认可，成为国际磁约束聚变装置中最前沿的国际开放平台之一。团队在第14次全球研究基础设施高官会议上作开放共享典型案例报告，被评为中国全球开放共享重大设施的典范，同时被列入金砖国家开放的重大科技基础设施名单。中法双方成立聚变联合实验室，在EAST和WEST两大装置上开展合作研究；中俄合作定期研讨会晤，EAST与NICA两大装置合作纳入中俄政府科技合作内容；与欧盟开展全方位合作，已建立超过10个联合研究工作组。EAST装置已是国际上有能力在高参数条件下开展长脉冲聚变等离子体物理和工程技术研究的实验平台之一，同时是面向国内外开放的核聚变实验平台和研究中心。

3.2 以我为主的国际合作

核聚变大科学工程团队全面参与合肥综合性国家科学中心建设，正在建设国家重大科技基础设施聚变堆主机关键系统综合设施，建成具有国际领先水平的超导磁体研究系统和主机及偏滤器研究系统。发起并与欧、美、俄等主要国际聚变研究机构成立国际聚变能联合中心，聚焦核聚变研究领域的关键技术研发及开展高效务实合作研究。此外，发起并推动中国聚变工程实验堆项目，目前已经开展了中国聚变工程实验堆项目工程设计和关键部件预研系列工作，旨在为世界聚变研究作出更多贡献。

4 推动关键技术成果转移转化

面向国民经济主战场，核聚变大科学工程团队在承担大科学工程项目中自主发展的超导、电源、低温、微波、材料等关键聚变工程技术，促进了国内一批高新技术企业的蓬勃发展。将超导、低温技术应用于医疗，研制质子治疗系统，即世界最紧凑型质子治疗装备，可大幅提高中国精准医疗水平和高端医疗装备国产化水平。积极开拓新的研究领域和交叉科学，确立了低温等离子体技术在环境、新能源、化工、新材料等领域的应用研究。对成熟的成果进行转移转化，成立公司或参股公司，实现良好经济效益的同时为社会提供众多就业岗位。

5 总结

EAST装置独有的非圆截面、全超导及主动冷却内部结构三大特性，可对受控核聚变相关的前沿物理问题开展探索性的实验研究，为未来稳态、安全、高效的先进商业聚变堆提供物理和工程技术基础。当前，团队正在全面提升EAST装置性能，将进一步大力推进国际合作，针对国际热核聚变实验堆ITER和未来聚变工程试验堆，深入开展近堆芯参数条件下的长脉冲等离子体物理研究，重点解决适合于未来聚变反应堆高约束稳态运行关键物理和技术问题，为推动国家核聚变能源事业的创新发展，为早日实现核聚变能源的开发利用而不懈奋斗。