可控核聚变能源是人类未来理想的清洁能源。最有可能实现核聚变的方法之一是磁约束聚变。高参数等离子体的产生与维持作为磁约束聚变堆的核心科学与技术问题,是待解决的最重要挑战之一。在EAST团队的支持下,以万元熙、高翔代表的EAST双输运垒研究团队,在大科学装置EAST全超导托卡马克装置上实现了双输运垒先进等离子体模式,并把这种先进模式成功应用于我国下一代聚变装置中国聚变工程试验堆(CFETR)的堆芯物理设计上。为探索和发展托卡马克先进运行模式做出重要贡献,全面推动了中国聚变工程试验堆CFETR的设计进展。
自主创新,攻克实现EAST双输运垒关键技术难题
以当今世界最大的多边国际科技合作项目之一的全超导聚变反应堆装置国际热核实验聚变堆(ITER)、中国聚变工程实验堆(CFETR)为代表的未来实验堆装置,都将以稳态高参数等离子体作为其运行模式,演示聚变能成为清洁能源的可行性。托卡马克作为磁约束聚变最重要的一种实验装置,其等离子体约束通常分为低约束模式(L 模)与高约束模式(H模),H 模的实现依赖于边界输运垒(Edge Transport Barrier: ETB)的形成。ITER 装置的基本运行模式即是这种具有ETB 的H 模放电。
EAST作为世界上第一个与ITER类似的全超导托卡马克装置,是目前国际上仅有的有能力开展超过百秒时间尺度的长脉冲高约束聚变等离子体物理研究的实验平台。EAST于2006年开始首批等离子体放电,分别于2008年和2010年实现低约束模式和高约束模式放电。基于过去十多年的研究积累,团队提出在具有ETB 的等离子体中,如果能够同时形成额外的内部输运垒(Internal Transport Barrier: ITB)那将能够进一步提高等离子体参数。这种方案为团队的进一步研究指明了方向。
团队一直围绕稳态高参数等离子体这一重要科学技术问题,通力合作、集体攻关。近五年时间,几万次的实验,几百个日日夜夜实验坚守,终于于2015年在我国EAST全超导托卡马克装置上实现了这种准稳态、同时具有ETB(边界输运垒)和ITB(内部输运垒)的双输运垒等离子体。这种先进运行模式的实现具有重要的科学价值,它能够将EAST等离子体的归一化聚变增益参数提高了10倍,并且成功维持这种双输运垒模式达56倍的能量约束时间,处于国际领先地位。
勇攀高峰,实现应用EAST双输运垒的创新跨越
作为ITER与聚变示范堆(DEMO)之间的桥梁,我国正在自主设计、研发中国聚变工程试验堆(CFETR)项目。团队成员也在积极探索将EAST双输运垒这种先进模式应用到CFETR装置上。聚变堆的堆芯等离子体物理设计涉及等离子体平衡与稳定性,约束与输运,加热与驱动等问题。
团队在EAST双输运垒先进等离子体模式研究基础上,利用集成模拟程序优化了约束、平衡与稳定性,完成了CFETR的堆芯物理设计。团队把这种先进的双输运垒运行模式,应用于中国聚变工程试验堆(CFETR)的堆芯物理设计上,在同样的聚变堆装置规模下可以将CFETR聚变功率从0.2GW提高到1GW,具有重要的科学意义和应用价值。
双输运垒模式的首次实现及其在CFETR堆芯物理设计中的成功应用,是我国“人造太阳”EAST装置的一个里程碑,具有重要的科学意义。围绕此项成果,团队在Nuclear Fusion等聚变领域顶级学术期刊发表了代表性学术论文8篇,共计获得SCI他引200次。 在2018年国家科技部组织的国家磁约束核聚变能发展研究专项(长脉冲H模的实现及其机理研究)课题验收会上,科技部验收专家组一致认为:“EAST双输运垒放电模式的实现是原创性成果,属于重大创新,是突破性进展”。2020年《EAST双输运垒的实现及应用》成果获得安徽省自然科学奖一等奖。
砥砺前行勇敢追梦人
路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。这一支由党员组成的队伍,凭借着对祖国的热爱和对科学的追求,奋力拼搏、矢志创新,敢于挑战,用实际行动诉说着核聚变人的爱国情怀和追逐真理的态度与精神。他们在实现人类核聚变之梦的路努力奔跑,用一生述说着五星红旗下追逐太阳的梦。