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发帖数: 15246 | 1 托卡马克（Tokamak）是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。为了开展受控
核聚变研究，各国相继建造或改建了一批大型托卡马克装置。受控热核聚变研究的重大
突破是将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，建成超导托卡马克，使
磁约束位形的连续稳态运行成为现实。超导托卡马克被公认为是探索、解决未来稳态聚
变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。中国自主设计、自主建造而成的全超导热核
聚变实验装置EAST位于中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所，属大型专
用研究装置。2006年9月，EAST成功完成首次放电实验，成为世界上第一个建成并真正
运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。
EAST进入物理实验研究阶段后朝着探索长脉冲、高参数、非圆截面等离子体的物理和技
术基础这一未来聚变堆发展的重要研究方向迈进。针对这一国际前沿科学技术领域，
EAST发展和改进了一系列实验技术，对多项物理研究结果进行集成，并优化了运行模式
，终于在国际上首次获得了分钟量级的非圆偏滤器位形下高参数长脉冲等离子体。EAST
之所以能取得这样的成果得益于实施了以下几个关键措施：
1.对装置的主真空室内部结构进行了成功改造，满足了高参数长脉冲等离子体放电的要
求。
EAST的物理目标直接针对未来聚变反应堆面临的关键科学技术问题之一：稳态高参数等
离子体，这要求装置主真空室的内部结构具有：适合于长脉冲运行的偏滤器位形；良好
的热负荷、粒子排除能力；适应各种等离子体位形（形状）；精确的等离子体位形诊断
和控制；边缘等离子体参数测量；灵活有效的壁处理；第一壁参数测量和保护；灵活的
加料等。综合考虑物理实验的各种需要，对EAST真空室内部结构进行了重大改造，包括
：基准环、偏滤器、被动反馈导体、其它面对等离子体部件、活动限制器、内部功能线
圈、内置低温冷凝泵、电磁测量线圈、朗缪尔诊断探针、热电偶测温元件、RF清洗天线
和辉光电极、HALO电流测量线圈等。经过一年多的努力，完成了上述所有结构和部件的
设计、预研、工艺评审和验证、加工、工艺验收、总体安装和调试、总装验收。该内部
结构的完成，使得第一壁承受热负荷的能力在稳态条件下达到2MW/m2，可以满足第一阶
段波加热和电流驱动条件下等离子体实验的基本要求，为开展高参数长脉冲等离子体实
验研究提供了保障。
2.等离子体控制实现了对最外磁面的控制，为实现波对等离子体高效耦合提供了条件。
全超导托卡马克装置有许多不同于常规装置的新特性，等离子体控制远比常规装置困难
。通过对等离子体位形控制策略的研究，利用超导极向场和内置快控线圈的优化组合，
成功实现了双、单零偏滤器、大范围位形参数的等离子体稳定控制，包括了很难实现的
在等离子体电流上升阶段的位形控制。对最外磁面形状的精确控制，为开展波加热、电
流驱动与位形相关的物理实验铺平了道路。
3.偏滤器实验探索了适合于长脉冲运行的部分脱靶运行模式和高效的充气模式。
第一壁（直接面向高温等离子体的内壁）粒子和热负荷是制约托卡马克高参数稳态运行
的主要因素之一。通过系统的实验研究，在EAST上实现了脱靶的等离子体放电模式，并
且发现部分脱靶的偏滤器运行模式可有效降低靶板热负荷、同时又保证了偏滤器对粒子
的排除能力，是一种非常适合于稳态的偏滤器运行模式。实验还发现不同的充气位置其
加料效率不同，从DOME 的充气具有最高的加料效率，这非常有利于减少粒子在第一壁
的滞留，适合于等离子体的长脉冲运行。
4.低杂波高效耦合和电流驱动获得了实现高参数长脉冲等离子体放电的必要条件。
长脉冲等离子体放电的维持主要靠低杂波电流驱动，高效的波耦合和电流驱动不仅可以
维持高参数的等离子体放电，而且有利于对等离子体的控制、减轻等离子体与壁的相互
作用、控制杂质水平、降低第一壁的粒子和热负荷。通过系统地对等离子体形状、边界
与天线匹配、边界参数优化等手段，实现了波对等离子体的高效耦合和电流驱动，成功
获得了全波驱动的等离子体放电，为开展长脉冲等离子体放电研究奠定了基础。
5.全超导托卡马克工程物理效应和安全运行模式的探索确保了稳定、重复、可控的高参
数等离子体放电。
全超导托卡马克装置运行最大的风险、同时也是对等离子体控制最大的限制来自于超导
的极向场系统，给等离子体击穿和电流建立阶段带来了很大的困难，充满了挑战和风险
。针对全超导托卡马克和ITER（国际热核聚变实验堆计划）未来物理实验的一些关键科
学技术问题，在EAST上成功摸索出一些适合于未来大型超导托卡马克所需启动运行模式
，并获得了稳定、重复、可控的高参数等离子体放电：实现了低环压击穿和启动（0.
16V/m低于ITER的设计）；低杂波辅助电流爬升有效降低了极向场电流变化率；超导极
向场和内置快控线圈的联合使用有效减轻了控制垂直不稳定性对超导极向场的压力；发
展了专门用于超导托卡马克壁处理方法，有助于等离子体建立和高品质等离子体的获得
；开展了极向场系统的长脉冲模拟放电研究等。上述几点的优化组合，实现了技术难度
很高的在等离子体电流上升阶段的位形控制。这些内容都是未来ITER托卡马克所必须而
且目前大都只能在EAST才能开展的实验内容，EAST的成功实验为降低未来 ITER运行风
险和成功运行提供了重要的实验数据。
通过对这些物理结果的集成和运行模式的优化，在等离子体电流250kA、中心密度大于1
.6x1019m-3、中心电子温度大于一千五百万度、拉长比为1.9的条件下，获得了稳定重
复的大于60秒非圆截面双零偏滤器位形等离子体放电，最长时间达到63秒。未来 ITER
是在等离子体拉长比为1.75的单零位形下的400秒长脉冲条件下开展物理实验，目前正
在运行的国际大中型托卡马克仅有EAST能获得大于60秒非圆偏滤器位形等离子体放电。 |
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