1056秒!2021年最后两天,中国“人造太阳”EAST破了个纪录
发布时间:2022-01-04
出品:科普中国
制作:王腾(中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所)
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  20211230日晚,托卡马克装置高温等离子体运行的世界最长时间纪录又被打破了!

  中国“人造太阳”EAST成功实现1056秒长脉冲高参数等离子体运行,打破了自己保持的411秒最长放电纪录(原纪录是2012627日创造的),运行时间首次突破了四位数!

  

  图片来源:中国科普博览

  新纪录是怎么诞生的?又意味着什么?EAST科研团队的成员为你讲述。

首先介绍一下屡破纪录的选手——EAST

  “人造太阳”是“核聚变反应装置”一种通俗的说法,之所以称它为人造太阳,是因为它的反应原理和太阳一样。而研究人造太阳的目的,是为了解决人类面临的能源危机。

  概括地说,可控核聚变是在模仿太阳产生能量的原理,目标是以极高的效率产生源源不断的清洁能源。而根据目前的理论基础,有几种实现可控核聚变的方式,托卡马克就是其中一种,而位于合肥的全超导托卡马克核聚变实验装置,简称EAST,是国际上最重要的核聚变研究实验平台之一。

  不会吧不会吧,不会还有人不知道EAST是什么吧?

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1000+秒放电,激动人心的时刻

  12302155分,EAST启动第106915次放电实验,这次放电的目标是获得大于1000秒的超长脉冲高温等离子体,预设放电长度是1057秒,一旦成功将是全新的世界纪录。随着60秒倒计时的结束,等离子体成功建立,低杂波电流驱动和电子回旋也随后稳定投入。

  

  EAST控制大厅放电实况(图片来源:作者提供)

  之后,便是漫长的等待,将近18分钟的时间大家目光都紧盯着主控屏,翘首期盼新纪录的诞生,还有的同事拿起手机纪录这一激动人心的时刻。2214分,等离子体顺利软着陆,屏幕上的时长最终定格在了1056.66秒,1000+秒超长脉冲高温等离子体最长放电纪录由此诞生,四周响起热烈的掌声。

  

  1056秒超长脉冲放电(图片来源:作者提供)

1000+秒首次突破,挑战三大科学难题

  本次实验是EAST首次突破千秒大关,想要成功获得1000秒超长脉冲高温等离子体,面临的科学问题非常多,其中最为突出的就是:完全非感应电流驱动、再循环与杂质控制、热与粒子排出等问题。

  首先,超长脉冲等离子体运行依赖于射频波电流驱动。而EAST恰恰以射频波加热方式为主,是目前国际上唯一具备与国际热核聚变实验堆(ITER)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的装置。本次1056秒长脉冲等离子体获得,EAST低杂波电流驱动和电子回旋驱动均实现了完全跟随,提供重要保障。

  

  EAST是目前世界上最先进的核聚变实验装置之一(图片来源:作者提供)

  其次,杂质控制问题也非常关键。随着运行时间尺度的延长,等离子体与壁的相互作用会导致杂质的大量爆发,本次实验EAST团队通过锂注入实现对杂质抑制,保证长脉冲实现。

  另外,时间的延长也会导致大量的热和粒子累积,需要将其有效排出,EAST先进的偏滤器设计成功解决这一问题。

  

  升级后的EAST的内真空室(等离子体在这里运行)

1000+秒背后,协同作战

  EAST作为一个大科学工程,是一项系统工程,1000秒超长脉冲高温等离子体突破的背后,是多个系统协同作战。

  其中,值得一提的是磁测量信号漂移问题的解决。准确的磁测量是等离子体平衡控制的基础,任何一个小的测量误差经过1000秒的累积都可能被放大,直至影响到等离子体的控制。本轮拟合权重模型实验之初,EAST团队等离子体控制组、电磁测量组、实验运行组等就针对磁测量信号漂移问题开展相关测试和优化工作。经过多方探索和改进,工作组发展了契合权重模型,实现对信号漂移的准确扣除,保证了长时间尺度下等离子体控制精度。

  

  EAST磁体测量系统优化

1000+秒,是目标更是起点

  EAST是我国自主设计建成的世界首个具有非圆截面的全超导托卡马克实验装置,具有三大科学目标:1兆安等离子体电流、1亿度高温等离子体、1000秒运行时间。

  

  EAST装置

  建成于2006年的EAST装置,先后于2010年运行1兆安等离子体电流、2018年首次获得1亿度高温等离子体、20215月成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行(中国“人造太阳”如何再创世界纪录?

  https://mp.weixin.qq.com/s/9bXJcquNPFcQ5lJTiMYFrw)、2021年末实现大于1000秒运行,三大科学目标已经分别独立完成。

  

  20101128日,EAST运行1MA等离子体电流(34128

  

  2018711日,EAST首次获得电子温度大于1亿摄氏度等离子体(78841

  1231日晨会上,EAST实验运行总负责人龚先祖研究员总结说,“成绩只属于过去,1000秒是阶段目标,更是新的起点”。成功的喜悦尚未褪去,EAST团队所有成员又投入到新的实验中去,为下一个实验目标而继续努力。

  到目前为止,EAST累计放电次数超过10万次,一路走来,每一项纪录就像一个深深的脚印,记录着我国在开发利用聚变能征程上的每一步。这条路目的地只有一个,就是“让聚变能的第一盏灯在中国点亮”,我们相信终点总会到达。

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