EAST新突破,中国人造太阳实现403秒稳态高约束运行模式等离子体
发布时间:2023-04-14
出品:科普中国
作者:王腾(中科院合肥物质院等离子体物理研究所)
监制:中国科普博览

2023年4月12日晚,中国“人造太阳”EAST成功实现403秒稳态高约束运行模式(H-mode)等离子体,这是继2017年实现101秒稳态H-mode等离子体后,再创H-mode运行最长时间记录。

何为H-mode等离子体?又有何意义?EAST科研团队的成员为你讲述。

(图片来源:新华社)

可控核聚变研究的关键要点

实现核聚变反应需要将氘氚原子核压缩到很小尺度的核力范围内,但由于原子核带正电,必须在极高温下才能获得足够的能量以克服彼此间的库仑势垒。当温度达到1亿摄氏度左右时,氘氚原子核发生聚变反应的截面最大。但没有任何有形容器能对如此高温等离子体加以约束,以EAST为代表的托卡马克装置利用环形螺旋磁场对高温等离子体进行约束,实现可控核聚变反应。

托卡马克装置的磁场位形

(图片来源:等离子体所)

因此,可控核聚变研究的关键在于:首先,尽可能提高等离子体的温度(T)和密度(n),以提高单位体积及单位时间内的聚变反应效率;其次,将高温、高密度等离子体约束在有限的空间内达足够长的时间,以减缓能量流失而进一步提高聚变反应效率,这个约束性能一般用能量约束时间(τE)来衡量。

获得聚变反应的三要素

(图片来源:等离子体所)

根据劳逊判据(Lawson criterion),只有聚变三乘积,才能产生有效的聚变功率输出。经典情况下,H-mode等离子体的能量约束时间会提高2倍左右,同时等离子体的温度和密度也会相应提高,聚变三乘积将得到大大提高。所以,国际热核聚变实验堆(ITER)将H-mode的能量约束时间定标作为设计反应堆的基础。

高约束运行模式的发现和特点

托卡马克等离子体的平衡位形需要由环向感应电流来维持,这个电流同时对等离子体进行欧姆加热,早期的托卡马克装置主要靠欧姆加热约束运行模式。但理论和实验研究表明,除非可以研制出非常强的磁体(大于20特斯拉),否则单纯依靠欧姆加热不可能达到聚变点火条件。

聚变点火需要进一步提高等离子体能量,可以利用高能中性粒子束和射频波来进行辅助加热,其加热总功率一般为欧姆加热功率的数倍以上。但实验发现:在给定的运行条件下,能量约束时间随着加热功率的增加而减小,该约束运行模式称为低约束运行模式(L-mode)。如果按照L-mode的能量约束时间定标设计和运行反应堆,会导致装置规模非常大,这在实现难度和经济性上难以接受。

1982年,德国物理学家Friedrich Wagner在ASDEX托卡马克装置上意外发现H-mode,即在高功率加热下的能量约束时间基本上是之前低约束态的2倍。这一极其重要事件对当时可控核聚变届是一个极大的鼓舞,当这个消息传到了美国,甚至有人激动地跳上了桌子。

相同加热功率下H-mode等离子体的密度和极向比压的垂直分量上升到L-mode的大约2倍

(图片来源:《Tokamaks》)

在高约束运行模式下,随着辅助加热功率注入,等离子体的密度和储能随时间增加,氢(氘)α线辐射信号减小。同时,在等离子体边界处,其密度和温度梯度呈现较陡的台阶形结构,并伴随边界处α线辐射信号出现很强尖峰震荡。这些H-mode的显著特点表明,从等离子体损失到器壁上的粒子数和功率减少,从而使得等离子体约束性能变好。

ASDEX上测得的L-H转换前后5个不同时刻的密度径向分布的变化,可以看到H-mode具有明显的密度分布台阶形成

(图片来源:《Tokamaks》)

成绩的背后是运行团队的硬核实力

H-mode形成的一个必要条件是辅助加热功率必须大于某个临界值,称为阈值功率。这个阈值功率与装置的参数和运行状态,以及等离子体参数和品质密切相关。

首先,H-mode的实现对等离子体中的杂质(即非氢物质)控制提出很高的要求。EAST完善的真空系统和壁处理技术为此提供了保障,对器壁进行长时间的放电清洗,使得边界粒子打到器壁后再循环降得很低,最大限度减少溅射出来的杂质,保持等离子体纯净。同时,依赖于EAST先进的等离子体控制技术,尽可能降低等离子体与器壁及其他组件的作用,进一步控制杂质的增加。

EAST真空与壁处理系统

(图片来源:等离子体所)

其次,在同一实验条件下,随着等离子体密度增加,阈值功率呈现先减小后增大的趋势。因此,存在一个最佳密度,在此密度下实现H-mode所需辅助加热功率最小,这对于长脉冲稳态H-mode的实现至关重要。EAST运行组围绕本次目标,通过理论分析与实验研究相结合,在安全范围内寻找到最佳参数范围及装置运行能力。同时,对等离子体密度的良好控制能力也为目标实现提供重要条件。

EAST实现403秒稳态H-mode等离子体,从上至下分别为:密度、H因子和储能、比压、加热功率、下偏滤器温度

(图片来源:等离子体所)

此外,EAST辅助加热系统的长脉冲运行能力、精确电磁测量和等离子体控制、先进等离子体诊断等诸多技术,提供了坚强保证。可见,403秒稳态H-mode等离子体的实现,充分体现出EAST运行团队的综合水平和高效能力。

EAST辅助加热系统

(图片来源:等离子体所)

创纪录,更是创未来

通过H-mode实现聚变能开发,能够有效降低反应堆装置的规模和成本。如果根据L-mode的能量约束时间定标设计ITER,则装置规模将十分庞大,预计耗资约为100亿美元;而后来采用H-mode的能量约束时间定标设计ITER,再加上其他修改,装置规模大大减小,建造费用也降到50亿欧元。

EAST装置

(图片来源:等离子体所)

EAST装置403秒H-mode等离子体的实现,将在未来5年保持领先水平,更进一步验证了高约束稳态运行的可行性。同时,也为在更长时间尺度上开展H-mode背后深层次的物理机理研究、H-mode下高能粒子对等离子体约束性能的影响研究、边界局域模的缓解和控制、以及相关理论模型的验证和发展,提供必要条件。随着高约束稳态运行的探索,及相关科学问题的有效解决,将进一步加快聚变能的开发进程,早日实现由核聚变能点亮的第一盏灯。


参考文献:

[1] John Wesson, Tokamaks (4th edition), Oxford University Press, 2011.

[2] 秦运文,托卡马克实验的物理基础,原子能出版社,2011.

[3] 董家齐,托卡马克高约束运行模式和磁约束受控核聚变[J],物理,2010,39(06):400-405.

[4] 石秉仁,托卡马克物理基础,浙江大学聚变理论和模拟中心(专题讲座),2007.

[5] Friedrich Wagner et al., Regime of Improved Confinement and High-Beta in Neutral-Beam-Heated Divertor Discharges of the Asdex Tokamak, Physical Review Letters, 1982, 49(19):1408-1412.

[6] EAST首次获得百秒量级稳态高约束模等离子体(等离子体物理研究所)

[7] 刘文斌,EAST实验运行报告(20230413),等离子体物理研究所


科普中国官方网站: https://www.kepuchina.cn/
关闭