远古时代,中国人就有追日的梦想,传说中夸父已成功追到太阳近旁,却因为太阳过于灼热而脱水致死。核聚变正是像太阳一样炽热而狂暴,人们为了驯服它付出了许多努力,许多国家已在人造太阳研究方面取得了较大进展。中国在这方面并不落后,也同样靠近了人造太阳的近旁。
中国的受控核聚变研究始于20世纪50年代,当时中国的氢弹还没有试爆成功。中国受控核聚变研究最初主要是针对仿星器装置和托卡马克装置进行探索研究。
从20世纪70年代开始,中国的受控核聚变研究的重点转向托卡马克装置,同时也继续了惯性约束核聚变相关的研究。2002年,中国引进了德国的ASDEX装置并在国内重新恢复运行,更名为HL-2A装置。HL-2A装置是在国内运行的第一个具有偏滤器位形的托卡马克装置。2009年,HL-2A装置实现了高约束模式下的等离子体稳态运行。
20世纪90年代初,在引进的俄罗斯超导托卡马克装置T-7的基础上,通过对装置真空室、磁体系统等关键部件的全面改造,中国科学院等离子体物理研究所,建成了中国第一个超导托卡马克装置HT-7。基于HT-7装置的建造和运行经验,中国科学院等离子体物理研究所申请的国家重大科学工程项目“HT-7U超导托卡马克核聚变实验装置”于1998年正式立项。2003年10月,HT-7U装置更名为先进实验超导托卡马克(ExperimentalandAdvancedSuperconductingTokamak,EAST)。经过科研人员、工程技术人员以及相关厂家五年多的努力,超导型磁约束托卡马克聚变装置于2006年投入运行,至此,世界上第一个非圆截面全超导托卡马克装置正式进入等离子体实验运行阶段。
超导型磁约束托卡马克聚变装置的科学目标,在于探索面向聚变反应堆的稳态高约束等离子体先进运行模式,并开展相关物理与工程技术的系统性研究,为未来国际热核聚变实验堆及中国聚变工程实验堆的建设运行提供重要科学依据与技术支撑。该装置主机高11米、直径8米、总质量414吨,由纵场线圈、超高真空室、极向场线圈、外真空杜瓦、内外冷屏及支撑系统六部分组成;其大半径1.85米、小半径0.45米,工作气体为氘气。
该装置以近堆芯高参数条件下等离子体稳态先进运行模式为核心研究目标,具备非圆截面、全超导及主动冷却内部结构三大技术特征。自2006年9月投入运行以来,已取得系列重大成果:2010年首次实现高约束模式等离子体放电,并获得1兆安培等离子体电流;2017年春季实验中,成功实现了稳定可重复的、超过102秒的长脉冲高约束等离子体放电,创造了该领域长脉冲高约束放电时间的世界纪录,标志着我国在稳态高约束等离子体研究方面已跻身国际前列。
从某种角度看,超导型磁约束托卡马克聚变装置有先期预演的性质。中国参与了国际热核聚变实验堆的建设和研究,在该计划中,按协定,中国承担计划经费的9%(另外的经费承担情况为,欧盟承担46%,美国、俄罗斯、日本、韩国、印度各自承担计划经费的9%),享受计划成果的100%。但国际热核聚变实验堆只能进行有限的核聚变工程技术实验。为此,除了合作建设国际热核聚变实验堆之外,许多国家都在积极发展自己的聚变堆计划,用于下一步研究。如美国的FNSF-ST/AT、俄罗斯的T-15MD和IG-NIOR、欧盟的EU-DEMO、日本的DEMO、韩国的KO-DEMO等,但其各自的科学目标略有不同。
同样,中国也在进行中国聚变工程实验堆(CFETR)的设计工作。中国聚变工程实验堆计划的科学目标为:(1)实现自持聚变燃烧;(2)实现氘自持;(3)进行聚变科学、材料、部件等方面研究并建立核数据库;(4)建立聚变堆核安全及标准体系等。根据装置的科学目标,CFETR要求有比国际热核聚变实验堆(ITER)更稳定的运行指标和更大的聚变功率输出,其设计的大半径为7.2米,小半径为2.2米,磁场为6.5特斯拉,等离子体电流为14兆安培,聚变功率为2000兆瓦(最大值),功率效益为30。
进入21世纪,中国在可控核聚变方向的研究取得了举世瞩目的成果,相信在不远的将来,中国一定可以实现可控核聚变能源实用化,真正把人造太阳掌握在自己手里,实现新时代的“新追日神话”。