磁約束聚變

磁約束聚變是指用特殊形態的磁場把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的、處於熱核反應狀態的超高温等離子體約束在有限的體積內，使它受控制地發生大量的原子核聚變反應，釋放出能量 ^[1]  。

1962年東北技術物理研究所成立後，建成了一台Z箍縮裝置、一台角向箍縮裝置和一台離子源，並開展了穩態磁鏡的設計。1964-1983年是我國磁約束聚變研究的調整期，也是以工程為主的建設階段。

1966年秋至1970年初，東北技術物理研究所的受控聚變部和原子能科學研究院的受控聚變研究室先後遷至四川樂山，成立了西南物理研究所（現在的核工業西南物理研究院），建成了仿星器裝置和超導穩態磁鏡裝置。

1969年，中科院物理所建成了一台100kJ的角向箍縮裝置，得到了熱核中子，並於1974年建成了我國第一台托克馬克CT-6。後來CT-6 升級成為CT-6B，備有兩個迴旋管微波加熱系統，進行電子迴旋波加熱和電流驅動實驗。在CT-6B上還進行了反饋控制、阿爾芬波的模轉換和交流調製等實驗。

1972年，中科院在安徽合肥籌建聚變研究基地。

1978年成立中科院等離子體物理研究所。在此期間，中國科學技術大學近代物理系設置等離子體物理專業，並建成一個小托克馬克裝置—KT-5B，進行了阿爾芬波加熱和湍流現象等觀測實驗。該裝置後來改建為KT-5C。

1984年以來，我國磁約束聚變研究進入以托克馬克實驗為主的階段。中科院等離子體物理研究所的HT-6B、HT-6M和核工業西南物理研究院的HL-1相繼建成投入運行。HT-6M是一台空芯變壓器托克馬克，安裝了功率為兆瓦級的離子迴旋共振加熱設備，進行輔助加熱實驗；進行了低密度、高電子温度運行，並曾開展表面湍流加熱實驗。HT-6B是略小於HT-6M的同類型裝置，裝有螺旋繞組，成功地控制了m=2，3的磁擾動，並抑制了等離子體的內破裂；還進行了低雜波驅動實驗等。HL-1是有厚達5cm的銅殼和鐵芯變壓器的托克馬克。在相近規模的托克馬克中，它的放電時間較長，達1s，有效電荷數較低。在這一裝置上，進行了高密度、低q放電，並對磁流體不穩定性等進行了研究。經噴鐵、碳化、硅化，得到了較潔淨的等離子體。使用抽氣孔欄及靜電偏壓，改善了約束態。並開展了冰凍氘丸注入、電子迴旋共振加熱和低雜波電流驅動等研究。後來HL-1改裝成HL-1M，反饋控制取代了厚銅殼，進行了彈丸注入和高功率輔助加熱以及高功率非感應電流驅動下的等離子體研究。

1995年等離子體物理研究所建成HT-7托克馬克裝置，採用超導磁體。

1998年得到長達6s的等離子體持續時間。

2003年實驗獲得超過1min的等離子體放電，這是繼法國之後第二個能產生分鐘量級高温等離子體放電的托克馬克裝置。目前，這一裝置的持續放電時間已經突破4 min。

2002年12月，HL-2A在核工業西南物理研究院建成，成為我國第一個帶有偏濾器位形的托克馬克裝置，實現雙零點偏濾器位形，掌握大型托克馬克等離子體密度剖面、温度剖面、電流密度剖面控制技術，探索出一條較為先進的托克馬克運行模式。在HL-2A上最終達到：產生高温(離子温度2-4 keV)、高密度(密度 )和高能量約束時間(40-150 ms)的等離子體，實現HL-2A裝置等離子體電流大於400kA的穩定放電。

在HT-7的基礎上，中科院等離子體物理研究所設計和研製了全超導托克馬克裝置HT--7U（大科學工程EAST），於2006年初進行了首次工程調試，2006年9月成功放電，獲得電流200kA、時間接近3s的高温等離子體放電。EAST是我國科學家、工程技術人員自主設計、非圓截面核聚變實驗裝置。作為全超導非圓截面託卡馬克，EAST的規模比ITER小得多，但等離子體位形及主要的工程技術基礎相似。因此，在EAST上的實驗研究將從物理基礎、工程技術基礎和人才培養上，為ITER計劃做出前期研究貢獻 ^[2]  。

2023年8月25日下午，新一代人造太陽“中國環流三號”取得重大科研進展，首次實現100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行，再次刷新我國磁約束聚變裝置運行紀錄，突破了等離子體大電流高約束模式運行控制、高功率加熱系統注入耦合、先進偏濾器位形控制等關鍵技術難題，是我國核聚變能開發進程中的重要里程碑，標誌着我國磁約束核聚變研究向高性能聚變等離子體運行邁出重要一步。 ^[4] 

儘管我國核聚變能研究經歷了較長時期的困難，但始終能堅持穩定、漸進的發展，建成了兩個理工結合的專業研究所，即核工業集團公司所屬的核工業西南物理研究院及中國科學院所屬的等離子體物理研究所。

為了培養專業人才，中國科技大學、華中科技大學、大連理工大學、清華大學等高等院校設了核聚變及等離子體物理專業或研究室。北京大學、上海交通大學、浙江大學、四川大學、東華大學、北京科技大學等高校的研究人員在託卡馬克等離子體湍流與輸運過程、磁流體不穩定性、快粒子物理、波與等離子體相互作用、等離子體與壁相互作用、及聚變堆材料和聚變工程技術等方面開展了研究，培養了一批研究生和年輕研究人員，並取得了有一定影響力的研究成果。

我國還有許多其它科研院所開展了聚變相關研究。如中國工程物理研究院、中國原子能科學研究院、中國核電工程有限責任公司、中國核動力研究設計院、中科院瀋陽金屬所、中科院北京自動化所、中科院智能機械研究所、中科院山西煤炭化學所、中科院電工所、中科院理化所以及西北有色金屬研究院等，在聚變相關的材料、低温、智能機械、超導、氚工藝、核技術等多方面開展了研發工作。

現有的可控核聚變約束手段主要有兩種，一種是慣性約束，一種是磁約束。慣性約束是指利用粒子的慣性作用來約束粒子本身，從而實現核聚變反應的一種方法。其基本思想是:利用驅動器提供的能量使靶丸中的核聚變燃料(氘、氚)形成等離子體，在這些等離子體粒子由於自身慣性作用還來不及向四周飛散的極短時間內，通過向心爆聚被壓縮到高温、高密度狀態，從而發生核聚變反應。該項研究主要在美國的國家點火裝置（NIF），中國的神光-Ⅲ主機裝置 ^[2]  。

九十年代初，中科院等離子體所利用前蘇聯贈送的原價值約1500萬美元的T-7裝置進行大幅度改造，使其成為研究性更加先進，且更加完善的超導託卡馬克——HT-7。其主要研究目標是，獲得並研究長脈衝或準穩態高温等離子體，檢驗和發展與其相關的工程技術，為未來穩態先進託卡馬克聚變堆提供工程技術和物理基礎。

1994年12月至95年3月，HT-7首次成功進行了工程聯調，94年12月28日得到第一等離子體。1998年國務院科教領導小組批准了國家“九五”重大科學工程HT-7U的立項，HT-7也部分承擔下一代裝置HT-7U的前期實驗任務。

HT-7是一個大型的實驗系統，它包括HT-7超導託卡馬克裝置本體，大型超高真空系統，大型計算機控制和數據採集處理系統，大型高功率脈衝電源及其迴路系統，全國規模最大的低温液氦系統，兆瓦級低雜波電流驅動和射頻波加熱系統，以及數十種複雜的診斷測量系統。幾年來，HT-7超導託卡馬克裝置經過不斷的改造，已進行了十幾輪實驗運行，取得若干科研成果，具有一定的國際影響力。為實現HT-7超導託卡馬克裝置的高功率、穩態運行，2001年，科研人員對HT-7的實驗系統進行了數項重大改造：

（1）極向場的穩態供電及控制；

（2）利用釩鋼實現穩態條件下縱場波紋度的大幅度改善；

（3）1MW穩態低雜波電流驅動系統；

（4）高性能水冷石墨限制器及粒子排除系統；

（5）新型射頻天饋系統；

（6）海量數據實時連續採集系統；

（7）數項先進等離子體診斷系統。

在物理上，HT-7緊緊圍繞穩態高約束等離子體運行這一世界前沿課題展開深入研究。為達到這個目的所開展的實驗如下：

（1）低雜波電流驅動及改善約束；

（2）離子伯恩斯坦波加熱及改善約束；

（3）邊界湍流及輸運研究；

（4）等離子體參數精細分佈控制；

（5）先進壁處理；

（6）穩態運行及控制。

隨着物理實驗的不斷深入，2001年冬季實驗又獲重大進展，獲得了許多研究成果：

（1）實現了在低雜波驅動下電子温度超過五百萬度、中心密度大於、長達20秒可重複的高温等離子體放電；

（2）實現大於10秒、電子温度超過一千萬度、中心密度大於的高參數等離子體放電，這是世界上第二個放電長度達到1000倍能量約束時間高參數準穩態等離子體；

（3）在離子伯恩斯波和低雜波協同作用下，實現放電脈衝長度大於100倍能量約束時間、電子温度二千萬度的高約束穩態運行；

（4）最高電子温度超過三千萬度。

HT-7超導託卡馬克達到的主要物理和技術指標為：

（1）等離子體參數：放電時間20秒，電子温度 >3000萬度，電子密度 ，等離子體電流240千安；

（2）裝置運行參數：磁場強度2.2特斯拉，本底真空；

（3）低雜波系統指標：最大注入功率700千瓦，環電壓降至0，並向變壓器反充電；

（4）離子迴旋波加熱和IBW指標：最大注入功率330千瓦,等離子體電子温度和離子温度明顯升高；

（5）等離子體和壁相互作用：RF清洗及RF硼化和硅化效果明顯，有效Zeff接近1；

（6）診斷技術及所達指標：總診斷35種，400多路診斷信號；

（7）加料技術：彈丸注入和IBW協同實驗，發現芯部約束改善；Laval噴嘴實驗已取得初步結果；

（8）等離子體控制：多變量控制，等離子體電流、位移反饋，實現等離子體參數靈活調節，較高放電重複率。

以上指標充分説明，HT-7超導託卡馬克裝置已步入可進行高參數穩態條件下等離子體物理研究的先進裝置行列。

為了在近堆芯的高參數條件下研究等離子體的穩態和先進運行，深入探索實現聚變能源的工程、物理問題，中科院等離子體物理研究所在建成超導託卡馬克HT-7的基礎上，提出了“HT-7U全超導非圓截面託卡馬克裝置建設”計劃，後更名為EAST。EAST由實驗“Experimental”、先進“Advanced”、超導“Superconducting”、託卡馬克“Tokamak”四個單詞首字母拼寫而成，它的中文意思是“先進實驗超導託卡馬克”，同時具有“東方”的含意。

EAST裝置是由我國自行設計研製的全超導託卡馬克裝置，其主要技術特點和指標是：16個大型“D”形超導縱場磁體將產生縱場強度 ；12個大型極向場超導磁體可以提供磁通變化 ΔФ ≥ 10 伏秒；通過這些極向場超導磁體，將能產生 ≥ 100萬安培的等離子體電流；持續時間將達到1000秒，在高功率加熱條件下温度將超過一億度。

EAST裝置的主機部分高11米，直徑8米，重400噸，由超高真空室、縱場線圈、極向場線圈、內外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統等六大部件組成。其實驗運行需要有大規模低温氦製冷、大型高功率脈衝電源、大型超導體、大型計算機控制和數據採集處理、兆瓦級低雜波電流驅動和射頻波加熱、大型超高真空、以及多種先進診斷測量等系統支撐。學科涉及面廣，技術難度大，許多關鍵技術目前在國際上尚無經驗借鑑。特別是EAST運行需要超大電流、超強磁場、超高温、超低温、超高真空等極限環境，從芯部上億度高温到線圈中零下269度低温，給裝置的設計、製造工藝和材料方面提出了極高的要求。

EAST的不僅是一個全超導託卡馬克，如《託卡馬克示意圖》所示，而且具有會改善等離子體約束狀況的大拉長非圓截

面的等離子體位形，它的建成將有效推動我國磁約束核聚變研究發展。在裝置建成後的10-15年期間，能在裝置上對建造穩態先進的託卡馬克核聚變堆的前沿性物理問題開展探索性的實驗研究。

EAST的大小半徑雖然只有國際熱核聚變實驗堆（即ITER）的1/3和1/4，但位形與ITER相似，比ITER早10-15年投入運行。EAST是一個近堆芯高參數和穩態先進等離子體運行科學問題的重要實驗平台，它將在ITER之前成為國際上最重要的穩態偏濾器託卡馬克物理實驗基地 ^[3]  。