EAST 形如“巨罐”,，匯聚超高溫,、超低溫、超高真空,、超強(qiáng)磁場,、超大電流等尖端技術(shù)于一體，近百萬個零部件協(xié)同工作,，擁有專利近2000項,。十余年來，EAST 歷經(jīng)15萬多次實驗,，最終實現(xiàn)“億度千秒”的長脈沖高約束模等離子體運(yùn)行,，攀上新的科學(xué)高峰。

▲ EAST 物理實驗團(tuán)隊在試驗成功后慶祝 圖片來源：新華視界

從長脈沖高約束模運(yùn)行60秒,、100秒到2023年的403秒,、如今突破1000秒，近年來中國自主研發(fā)的“人造太陽”不斷刷新世界紀(jì)錄,，讓中國聚變研究躋身世界前列,，也為全球聚變堆建設(shè)提供重要依據(jù)。

“聚變反應(yīng)達(dá)到千秒量級才能自我維持,，跨越'億度千秒’意味著人類首次在實驗裝置上模擬出未來聚變堆運(yùn)行所需的環(huán)境,。”中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院副院長,、等離子體物理研究所所長宋云濤說,。

 EAST 的發(fā)展歷程回顧 

 什么是托卡馬克 

很多人對這個裝置并不熟悉,，想要知道什么是托卡馬克,，我們要首先了解核聚變。核聚變是一項發(fā)展中的技術(shù),，它的出現(xiàn)將徹底打破能源生產(chǎn)的現(xiàn)狀,，屬于當(dāng)前科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。

在核聚變過程中,，兩個輕原子在極高的溫度和壓力下讓核外電子擺脫原子核的束縛,，使兩個原子核互相吸引碰撞到一起，發(fā)生原子核互相聚合作用,，生成新的質(zhì)量更重的原子核（如氦）,。由于中子不帶電，所以中子在整個碰撞過程中會逃離原子核的束縛,，大量電子和中子的釋放會產(chǎn)生巨大能量,。

和核裂變（核電站）相比，核聚變幾乎無污染,，產(chǎn)生的能量更大,，而且海水中的氘和氚取之不盡，是最理想的能源,。

▲ 核聚變原理圖

然而,，想要控制核聚變的能量絕非易事。近年來各國投入大量人力物力研究受控核聚變,，致力于實現(xiàn)聚變能的和平利用,。

受控?zé)岷司圩兡艿难芯恐饕袃煞N：磁約束核聚變和慣性約束核聚變。其中磁約束核聚變（MCF）由環(huán)形真空室和環(huán)形線圈組成,，在通電時產(chǎn)生巨大的螺旋磁場,，它是利用強(qiáng)磁場可很好地約束帶電粒子的特性，將氘氚氣體約束在真空磁容器中并加熱至數(shù)億攝氏度高溫,，以達(dá)到核聚變的目的,。這個裝置就是托卡馬克（Tokamak）。

托卡馬克是由前蘇聯(lián)科學(xué)家于20世紀(jì)50年代發(fā)明的實驗裝置,。經(jīng)過近半個世紀(jì)的努力,，在托卡馬克上產(chǎn)生聚變能的科學(xué)可行性已被證實，但相關(guān)結(jié)果都是以短脈沖形式產(chǎn)生的,，與實際反應(yīng)堆的連續(xù)運(yùn)行有較大距離,。實現(xiàn)核聚變發(fā)電的兩大難點(diǎn)是如何實現(xiàn)上億度點(diǎn)火和穩(wěn)定長時間約束控制。

▲ 等離子體加熱示意圖

 中國“人造太陽”EAST 

早在1955年錢三強(qiáng)等科學(xué)家就提議開展中國的“可控?zé)岷朔磻?yīng)”研究,；1965年西南物理研究所（核工業(yè)西南物理研究院（成都）前身）成立,；1984年9月21日制造出“中國環(huán)流器一號（HL-1）”，這是中國核聚變（Tokamak）研究史上的一座重要里程碑。

1990年初,，俄國庫爾恰托夫研究所表示愿意贈送第七臺托卡馬克裝置 T-7 給中國,。1990年10月中俄協(xié)議生效，在俄美歐盟等機(jī)構(gòu)和專家的大力支持下,，對該裝置進(jìn)行改造和重新自主設(shè)計（HT-7）,。2002年1月28日在核工業(yè)西南物理研究院（成都）與中科院等離子體所，基于超導(dǎo)托卡馬克裝置 HT-7 可控?zé)岷司圩兊难芯吭佾@突破,。2003年10月將重新自主設(shè)計的HT-7正式改名為EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）,，簡稱為“東方超環(huán)”或“人造太陽”。

EAST 是全世界第一臺全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置,，首次實現(xiàn)1億攝氏度運(yùn)行近10秒等多項重大突破,，獲得的實驗參數(shù)接近未來核聚變堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式所需要的物理條件。

▲ EAST 組織管理

 托卡馬克與真空技術(shù) 

在眾多的學(xué)科知識中,，托卡馬克和真空知識相關(guān)度最多,，主要體現(xiàn)在：

丨真空室、真空獲得,、真空測量,、真空檢漏、真空系統(tǒng)的遙控安裝和檢修維護(hù)技術(shù),，以及泵,、管、閥等,；

丨等離子體的產(chǎn)生,、維持、測量,、控制等,；

丨低溫超導(dǎo)與真空相關(guān)的內(nèi)容；

丨氘氚燃料注入技術(shù)和高能中性束注入技術(shù),。為了避免受磁場的約束,，將燃料高能離子轉(zhuǎn)化成高能中性粒子直接注入到等離子體蕊區(qū)等等。

EAST 是一個復(fù)雜的實驗裝置,，由真空室、縱場線圈,、極向場線圈,、冷屏、外杜瓦,、基座等主要部件組成,，這些部件本身也都是一個個復(fù)雜的子系統(tǒng)。簡單來說，EAST 主要包括以下部件：

? 內(nèi)外冷屏：內(nèi)外冷屏的作用是有效減少 EAST 超導(dǎo)磁體的熱負(fù)荷,，由液氮或液氦冷卻,。

? 外真空杜瓦：外真空杜瓦為圓桶狀結(jié)構(gòu)，主要為極向場,、縱場真空室等部件提供真空環(huán)境,，并隔斷外部環(huán)境對這幾個大部件所產(chǎn)生的熱交換，同時承受裝置大部件所施加的載荷,。

? 超導(dǎo)縱場線圈：由十六個D形線圈沿環(huán)向均布組成,，可在等離子體中心產(chǎn)生 3.5 T 的環(huán)向場，總安匝數(shù)為 30 MAT,。

? 真空室：由16個D形截面的扇形全硬段焊接而成,，有48個窗口供抽氣、診斷,、加熱電流驅(qū)動及冷卻通道之用,，為熱核聚變反應(yīng)提供超高真空的運(yùn)行環(huán)境。

? 超導(dǎo)極向場線圈：由上下對稱分布的中心螺管和四對大線圈組成,，線圈采用 CICC 導(dǎo)體設(shè)計方案,，超導(dǎo)材料為 NbTi，并用超臨界4.5K氦迫流冷卻,。

▲ EAST 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

● 真空室

核聚變技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展,，對真空腔體的性能要求提升到一個新的高度。真空腔體需要滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)造型,，高,、低溫循環(huán)，超高壓,、高真空循環(huán),，低泄漏、超潔凈,，輻照損傷,，高溫?zé)g，砂礫侵蝕,，化學(xué)腐蝕等應(yīng)用條件,。

▲ 等離子體運(yùn)行的 EAST 內(nèi)真空室 

EAST 高11米直徑8米，重400噸,，其中最核心的設(shè)備就是真空室,。這里是提供等離子體的產(chǎn)生、加熱和維持的重要環(huán)境,，滿足等離子體放電與裝置高效運(yùn)行的需求,。等離子體溫度高達(dá)1億攝氏度（鎢的熔點(diǎn)僅3380℃）必須與真空室壁脫離接觸,，離零下269攝氏度的電極和低溫超導(dǎo)都很近。另外,，維持等離子體的氘和氚的供應(yīng)量也要嚴(yán)格控制,。

● 真空測量

在托卡馬克裝置中，利用 SRS-RGA200 質(zhì)譜計在 40 eV 和 70 eV 兩個電離能對氘氨電離幾率不同的特性,，實現(xiàn)在總壓 10^-6～10^-2 Pa 范圍內(nèi),，對氘氣含量1～100%的氘氨混合氣體的進(jìn)行區(qū)分和分壓測量。新發(fā)展的質(zhì)譜分辨技術(shù)成功應(yīng)用于氨輝光放電清洗期間的氘清除率測量,，獲得 4-12 A 清洗電流下的氘清除率數(shù)據(jù),。該實驗研究為托卡馬克提供了一種適用于中真空到超高真空氣壓范圍、經(jīng)濟(jì)高效的真空測量技術(shù),。

● 等離子體控制

針對 EAST 裝置真空泄漏后真空條件快速恢復(fù)問題,，開展了真空表面清洗和表面涂層對粒子清除效果和雜質(zhì)控制的實驗研究。研究表明,，通過高溫烘烤和放電清洗累積清除壁上的水和氫雜質(zhì)分別為39.9克和28.2克,，使裝置的本底真空達(dá)到3.0×10^-6 Pa。經(jīng)過3天約1700秒等離子體鍛煉和鋰化涂層處理有效地緩解了等離子體與壁相互作用,，氫氘比也被控制在0.2,，穩(wěn)定的等離子體放電脈沖也得以重新建立。

同時,，裝置內(nèi)引起鎢濺射的碳雜質(zhì)含量減少約80%,。等離子體中鎢含量降低了約60%，達(dá)到了從源頭控制鎢濺射的效果,。強(qiáng)有力的真空壁處理能夠?qū)崿F(xiàn)泄漏后等離子體放電快速恢復(fù),。

參考文獻(xiàn)：《真空技術(shù)在托卡馬克雜質(zhì)控制與粒子清除相關(guān)的應(yīng)用研究》王俊儒