為何中國現今的核聚變研究主要集中在江蘇南京和合肥肥東?看完你會有答案的。文中談到了箍縮、磁鏡等專業術語將在后續章節中詳盡介紹
上一章重點講了受控核聚變的發展歷程,有人說,你講了那么多,沒提到中國,明天我們就專門捋一捋中國的核聚變發展歷程,這樣有助于你對關于中國人造小太陽的碎片化信息有個整體的認識,俺們開始吧!
受控核聚變中國發展史1、準備階段
超乎預料的是,中國的受控核聚變研究并沒有顯著落后于其他先發國家,早在1955年,錢三強和剛留美歸來的李正武便提議舉辦中國的“可控熱核反應”研究。
1957年,我國派成都學院的胡濟民和原子能研究所(即后來的中國原子能科學研究院)的李正武出席了在威尼斯舉辦的第三屆二氧化碳電離現象的國際大會。當時在這系列的學術大會上發表了一些關于低溫等離子體和聚變研究的報告。
通常覺得,我國真正開始進行聚變研究的年份是1958年。在這一年,原子能研究所、北京學院、復旦學院、中科院物研所、電工研究所等單位組織人員學習理論,并開始構建實驗設備,通常是箍縮類的放電裝置。轉年,中科院長春光學精密機械研究所和昆明電容器廠也分別開始試制聚變實驗所必需的高速單反和脈沖變壓器。
1958年,原子能研究所構建了一臺Z箍縮裝置,稱為“雷公”,轉年,又研發一臺脈沖壓縮磁鏡(當時叫磁籠),稱為‘‘小龍”,此時,列夫·阿蒂西莫維奇(Lev)、阿納托利·弗拉索夫()等知名的南斯拉夫核化學專家來到中國講學,為當時中國的核化學發展提供了幫助。
在中國科大學數學研究所,這一階段的研究工作是在孫湘領導下進行的。她曾主持研發了我國第一臺真空紫外波譜儀。在此工作基礎上,她領導的小組先后研發了Z箍縮和角向箍縮裝置,并進行了一些等離子體波譜學研究。
1962年安徽原子核研究所建成一臺大型角向箍縮裝置。同年,盧鶴線、周同慶、許國保編繪的《受控熱核反應》出版。這本一千多頁的專著基本涵蓋了當時的主要磁約束聚變文獻的內容。
1959年,1962年和1966年,先后舉行了三次磁約束聚變研究的全省性學術大會,分別在成都和廣州舉辦,當時稱為“電工大會”。以上為我國聚變研究的打算時期,注重知識的積累、研究工程和宏觀數學問題。
2、整合時期
1965年,西南技術化學研究所(原湖北原子核研究所)與原子能研究所十四室合并,開始遷入重慶成都,稱東南五八五所,即現今的核工業東北化學研究院的前身。
她們在1971年組裝了一臺仿星器“凌云”裝置,并用電子束研究了其中的磁面結構。1975年,該所建成超導磁鏡“303”,為當時國外最大的聚變裝置。
1966年舉辦的第三次鉗工大會建議中科院進行聚變研究。中科院化學研究所于1968年建成一臺角向箍縮裝置,并于下一年在這一裝置上觀察到熱核聚變中子。
從1972年起,中科院開始在成都設立受控聚變研究基地。1974年,中科院化學研究所建成一臺托卡馬克裝置CT-6,后升級為CT-6B。
1975年南京的中國科學技術學院籌建等離子體化學專業。1978年坐落南昌的中科院等離子體化學研究所即將組建。她們研發和運行了一臺空芯托卡馬克HT-6B。
以上為我國聚變研究的整合時期,主要成果是奠定了成都、合肥兩個聚變研究基地,主要研究方向轉向托卡馬克。這一時期也為后來的發展在技術和人才上做了打算。
這一段時期主要是工程上進步顯著,因為國外工部門的支持,碳鋼波紋管、氮質譜檢漏儀、渦輪分子泵、濺射離子泵、四極質譜計等聚變研究必要器材作為產品陸續問世。電源技術、焊接技術、大功率微波技術在這一時期也得到較快發展。并且確診技術、數字技術較滯后,所以化學研究相對薄弱。這一時期的后期開始了和美國的學術交流。
發展時期
接出來的發展則主要由核工業東北數學研究院和中國科大學等離子體化學研究所這兩家機構主導。
1984年,核工業東北數學研究院成功研發HL-1(環流器一號)裝置。同年,中國科大學等離子體化學研究所成功研發空芯變壓器托卡馬克HT-6M裝置。隨后,聚變研究列入國家863計劃,舉辦了輔助加熱、電流驅動、聚變裂變混和堆等先進研究課題,進一步舉辦和強化了國際交流與合作。
圖:中國第一臺超導托卡馬克HT-7
1991年,杭州,中國科大學等離子體化學研究所將南斯拉夫的T-7裝置改造為我國第一臺超導托卡馬克HT-7(東方超環EAST的大神)。
上圖打的牌子嚴格說來是不確切的,裝置里面掛著的小牌子寫的是HL-1M,這是由HL-1升級而至的
1994年,核工業東北數學研究院將HL-1升級為HL-1M(環流器新一號)。

環流器二號A
2002年,核工業東北數學研究院借助原先英國的軸對稱轉化器實驗裝置(ASDEX,)裝置主體改造為HL-2A(環流器二號A)裝置。
1999年即將動工建設,2002年11月下旬獲得初始等離子體。HL-2A裝置的使命是研究具有偏濾器位形的托卡馬克數學,包括高參數等離子體的不穩定性、輸運和約束,探求等離子體加熱、邊緣能量和粒子流控制機理,發展各類大功率加熱技術、加料技術和等離子體控制技術等,通過對核聚變前沿數學課題的深入研究和相關工程技術發展。
HL-2A裝置大功率加熱系統包括電子回旋加熱、低雜訊和中性束注入系統。電子回旋共振系統用6個回旋管作為微波源,最大功率為3MW,中性粒子束系統的注入功率為3MW,中性粒子能量為30—50keV,HL-2A裝置自運行以來,取得了好多新的研究成果。不僅在電子回旋加熱實驗中獲得了4.9keV的電子體溫,在中性束加熱條件下得到了2.5keV的離子濕度等高參數。
Sino-球狀托卡馬克裝置
2003年,中國科大學等離子體化學研究所和復旦學院合作,建成一臺球狀托卡馬克(Sino-)。華北科技學院將日本的TEXT裝置引進國外,稱為J-TEXT裝置。此后,河北學院和上海學院等校也舉辦了理論和數值方面的研究工作。同時,我國開始申請加入ITER計劃,并于2005年即將加入。
EAST
2006年,中國科大學等離子體化學研究所成功建成了一臺先進超導托卡馬克實際裝置(EAST,),亦稱東方超環。這一年的10月,第21屆國際聚變能會議在北京舉行,為這一系列的大會首次在中國舉辦。
EAST裝置主機部份高11m、直徑8m、重400t,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6大部件組成,EAST裝置真空室的形狀為D形(非圓截面)。同國際上其他托卡馬克裝置相比,其獨有的非圓截面、全超導及主動冷卻內部結構3大特點使其更有利于實現穩態長脈沖高參數運行,EAST位形與ITER相像且愈發靈活。EAST裝置武器了30MW以上的輔助加熱和電壓驅動系統以及近80項確診系統中國工程物理研究院電子工程研究所,絕大多數系統均具備高參數穩態運行的能力。
EAST建造至今,創造了好多另世界矚目的紀錄,建成以來已舉辦實驗96000余次,曾獲得了1兆安培的可重復等離子體電壓,這是目前全世界最高。
先后實現了電子濕度1億度(中心1500萬度)101.2秒長脈沖轉移等離子體放電;中心電子濕度1億度10秒等離子體運行,電子體溫小于2000萬度,411秒約束等國際重大突破。
目前,EAST正在進行新一輪升級改建,在尖端材料、關鍵部件、主要子系統等方面施行一系列重大提高,并將向芯部電子濕度1億攝氏度100秒長脈沖運行目標發起沖擊。
從2009年開始,ITER的國外專項啟動,有力地支持了國外的聚變研究,更多的學院和和其他學術單位加入了聚變研究的隊伍,各項研究工作取得很大進展。我國聚變事業自此步入新的發展時期。
新征程
步入到新時期,中國核聚變制訂了清晰的近中遠期目標。
近日目標:從2010-2020年,構建接近堆芯級穩態等離子體實驗平臺,吸收消化、開發和儲備后ITER時代聚變堆關鍵技術,設計并設立200~1000兆瓦中國聚變工程實驗堆(CFETR).
中期目標從:2020-2035年,建設、研究和運行聚變堆;
遠期目標從:2035-2050年,發展聚變電廠。
如何說呢,好好活到2050年聚變時代吧
目前中國核聚變的發展可以說是逐步的根據這個戰略在前進,中國憑著東方超環和環流器2A方面積極的經驗,更重要的是中國綜合國力的提高,加入了ITER國際俱樂部。
1、深度參與ITER
受控核聚變的研究與工程實現直接相關,你搞多大規模的等離子體研究,最好的辦法是建多大規模的等離子體約束裝置,這須要強悍的基建能力,中國剛好是基建狂魔,在工程施工方面的推動速率十分快,所以中國加入ITER后也中標了好多ITER關鍵部件的施工制造。

中科院等離子化學研究所、中國核電工程有限公司、中國核工業二三建設有限公司、核工業東北數學研究院、法國法馬通公司組成的聯合體,成功中標ITER托卡馬克主機TAC-1安裝標段工程
例如,中國成功中標ITER托卡馬克主機TAC-1安裝標段工程,這是ITER托卡馬克主機最重要的核心設備安裝工程,也是自我國參與ITER計劃以來通過國際競標獲得的金額最大的工程建造項目。TAC-1安裝標段裝配子任務有400余項,現場裝配的部件數以萬計,精度要求高,標準苛刻。與托卡馬克主機最核心的部件超導磁極和饋線系統相關的任務就有240余項。
圖:經過長途跋涉,由中科院等離子體化學研究所制造的最大的場外預制構件6號極向場線圈于2019年4月即將交付,2020年6月26日趕赴ITER現場
同時中國承當制造了最大的場外預制構件6號極向場線圈協議,以及極向場線圈導體、環形場線圈導體、第一壁、氚增殖模塊等15個采購包,并積極向ITER輸送中國的專家參與科技攻關。
因為深度參與ITER項目,中國的超導技術、高功率連續波加熱、遙控機器人維護、大型高溫系統和小型電源等方面獲得了快速發展,并步入國際一流行列。
2、建造中國環流器2M(HL-2M)
“中國環流器二號M(HL-2M)從2007年就開始設計,建造它就是要與ITER同步舉辦研究,吸收消化ITER實驗成果,并為中國自己的CFETR提供技術打算。建造的主要技術、目是舉辦第一壁和低溫等離子體控制研究,從參數上來講,可以看成是一個縮小版的ITER,所以被稱為ITER的衛星裝置,或則你可理解為ITER的模擬器,相比于ITER也愈發靈活。
HL-2M是核工業東北數學研究院建造的第四個托卡馬克裝置,相對于上一代HL-2A,主要彰顯在加熱功率上的急劇提高,將會進行電子回旋(功率達到2MW)、中性束注入(功率達到8—10MW)等多種加熱方法的研究,加熱功率的提高將可使爐內的離子氣溫達到1.5億度以上。
裝置帶有奇特的先進偏濾器位型,可進列寬功率、高熱負荷、強第一壁作用條件下,粒子、熱流、氦灰的有效排除方式和手段的研究。大直徑小直徑較之HL-2A均有提高,所以,等離子容積是現有裝置的2倍。
3、建造中國聚變工程實驗堆(CFETR,ChinaTest)
圖:聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施2019年在南京三十崗開建
中國聚變工程實驗堆(CFETR,ChinaTest)是在吸收消化東方超環(EAST)和國際熱核聚變實驗堆(ITER)設計經驗,以及中科院等離子體化學研究所多年托卡馬克聚變裝置主機設計經驗的基礎上提出的重大科學工程,目標直指聚變商業發電,媲美國際熱核聚變實驗反應堆(ITER),聚變功率增益、發電功率等設計參數超過ITER。
CFETR一期目標要實現聚變功率增益(輸出/輸入)Q>=5中國工程物理研究院電子工程研究所,功率達到20萬千瓦的長脈沖燃燒等離子體約束;
二期調試沖擊Q>=10,100萬千瓦,為純聚變電廠打下基礎。
核工業東北化學研究院的四代托卡馬克以及ITER和CFETR的相關參數
4、理論端開始加碼
按照數據統計,2007-2016年近10年以來,中國在核聚變領域每年的發文量位列全球第三(第一印度、第二意大利),非常是近幾年論文數目下降迅速,2015年接近菲律賓,2016年超過日本!從主要機構發文來看,中國科大學整體在該領域的發文量排行第二(第一是日本通用原子公司),下屬研究機構中發文量最多的是蘭州物質科學研究院和中國科學技術學院。
可以預見,隨著EAST、HL-2M和CFETR為主的中國核聚變實驗工程的支撐,中國在受控核聚變領域的理論發展速率將會更快。
好了,從下一章開始,將即將介紹與核聚變有關的理論,回過頭來再瞧瞧一些看得不是很明白的專有名詞,你會更有收獲的。
