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托卡马克装置
时间 : 2015-12-31     

    核能是能源家族的新成员,包括裂变能和聚变能两种主要形式。裂变能是重金属元素的核子通过裂变而释放的巨大能量。受控核裂变技术的发展已使裂变能的应用实现了商用化,如核(裂变)电站。裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少,而且常规裂变反应堆会产生放射性较强的核废料,这些因素限制了裂变能的发展。聚变能是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核并释放出的能量。目前开展的受控核聚变研究正是致力于实现聚变能的和平利用。其实,人类已经实现了氘氚核聚变──氢弹爆炸,但那是不可控制的瞬间能量释放,人类更需要受控核聚变。维系聚变的燃料是氢的同位素氘和氚,氘在地球的海水中有极其丰富的蕴藏量。经测算,l升海水所含氘产生的聚变能等同于300升汽油所释放的能量。海水中氘的储量可使人类使用几十亿年。特别重要的是聚变产生的废料为氦气,是清洁和安全的。因此,聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。这就是世界各国尤其是发达国家不遗余力竞相研究、开发聚变能的根本原因。

    受控热核聚变能的研究主要有两种──惯性约束核聚变和磁约束核聚变。前者利用超高强度的激光在极短的时间内辐照氘氚靶来实现聚变,后者则利用强磁场可很好地约束带电粒子的特性,将氘氚气体约束在一个特殊的磁容器中并加热至数亿摄氏度高温,实现聚变反应。

    托卡马克(Tokamak)是前苏联科学家于20世纪50年代发明的环形磁约束受控核聚变实验装置。经过近半个世纪的努力,在托卡马克上产生聚变能的科学可行性已被证实,但相关结果都是以短脉冲形式产生的,与实际反应堆的连续运行有较大距离。超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上,是受控热核聚变能研究的一个重大突破。超导托卡马克使磁约束位形能连续稳态运行,是公认的探索和解决未来聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。目前建造超导装置开展聚变研究已成为国际热潮。其中国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,简称ITER)计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科技合作项目之一。它的建造大约需要十年,预计建造费用为50亿美元(1998年测算值)。合作承担ITER计划的七个成员国是欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国,这七方包括了全世界主要的核国家和主要的亚洲国家,覆盖的人口接近全球一半。为建设ITER,各参与方专门协商组建了一个独立的国际组织,各国政府首脑在过去几年中都采取不同方式对参加ITER计划做出过正式表态。这些都是国际科技合作史上前所未有的,充分显示了各国政府和科技界对该计划的高度重视。2006年10月21日,七个成员国政府签署了建设ITER的国际协定。目前ITER国际组织已经组建,全面建设已经开始,计划将于2018年完成ITER建设,获得等离子体。

    等离子体物理研究所主要从事高温等离子体物理、受控热核聚变技术的研究以及相关高技术的开发研究工作,担负着国家核聚变大科学工程的建设和研究任务, 是我国热核聚变研究的重要基地。先后建成HT-6B、HT-6M等托卡马克实验装置。1994年底,等离子体所成功地建成我国第一台大型超导托卡马克装置HT-7,使我国进入超导托卡马克研究阶段,研究成果引起了国际聚变界的广泛关注。“九五”国家重大科学工程──大型非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置EAST计划的实施,标志着我国进入国际大型聚变装置(近堆芯参数条件)的实验研究阶段,表明中国核聚变研究在国际上已占有重要地位。目前,等离子体所在高温等离子体物理实验及核聚变工程技术研究方面处于国际先进水平,形成了广泛的国际交流与合作,与欧、美、日、俄、澳等近三十个国家和地区建立了稳定合作交流关系,开展多个国际合作项目,成为“第三世界科学院开放实验室”和“世界实验室聚变研究中心”,是国际受控热核聚变计划ITER中国工作组的重要单位之一。