位于中国东部安徽省合肥市的实验先进超导托卡马克 Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST)是世界上第一个全超导托卡马克,也是第一个脉冲长度为1000秒的托卡马克。
中国正在推进其“人造太阳计划”,以开发近乎无限的能源。从事该项目的中国科学家发现了一种以前未知的等离子体活动模式,可以实现更可靠、更高效的核聚变能源生产。
据中国科学院合肥物质科学研究院(CAS)称,先进超导托卡马克实验装置(EAST)突破并展示了一种称为超 I 模式的新型等离子体运行场景。
据南华早报报道,合肥 EAST 反应堆在破纪录运行 17 分钟后,于 2021 年 12 月首次发现“超 I 模式”。这些发现经过同行的严格审查,于 2023 年 1 月 6 日发表在国际期刊《科学进展》上。
新的高限制和自组织 Super I-mode 体现了机器的先进性和可靠性,并提供了有关如何保持等离子体稳定和长时间运行的见解。
破纪录的运行,利用磁场将由自由移动的电子和氢离子组成的带等离子体的气体加热到 7000 万摄氏度的温度,成功地在等离子体边缘和更远的等离子体中包含高能量.
据中国科学院研究人员及其来自美国、欧洲和日本等国的合作者称,进一步测试表明,这种新型模式在国际热核实验堆 (ITER) 中具有很高的应用潜力。
世界上最大的聚变反应堆 ITER 目前正在法国建造。负责 ITER 实验和等离子体操作的物理学家 Richard Pitts 表示,这是 ITER 和聚变的重大突破。
Pitts 补充说,EAST 测试至关重要,因为它们首次揭示了托卡马克等离子体可以维持和调节非常长的脉冲——超过 1,000 秒,这相当于 ITER 长期目标的长脉冲。
Pitts 指出了与超长脉冲操作相关的众多挑战,ITER 看到这已经完成,即使是在相当小的设备上,也让 ITER 感到非常欣慰。
该研究的合著者宋云涛表示,超 I 模的主要优势之一是它能够减少等离子体边缘附近的能量损失,超热气体在该边缘直接面对托卡马克的隔热罩。
宋解释说,如果我们将核聚变过程等同于闪电,研究人员的目标是将尽可能多的闪电聚集在一个磁笼中,并将能量稳定、可持续地传输给人类使用。
宋说,在 EAST 上发现的新运行模式使中国科学家能够捕获更多的闪电,同时在较长时间内维持稳态运行。
为什么新的超 I 模式很重要?
聚变是两个氢原子融合产生一个氦原子的过程,同时释放出巨大的能量,为太阳和恒星提供动力。
科学家们的目标是在地球上重建太阳能,并希望聚变过程得到很好的控制。他们期望社会能够以一种新的、更高效、更环保的方式获得动力。
实现受控核聚变最有希望的途径之一是通过 EAST 和 ITER 等托卡马克装置。挑战仍然在于产生高性能等离子体并将其限制足够长的时间以使氢结合以产生像太阳一样的净功率。
合肥等离子体物理研究所的刘志宏表示,聚变科学家使用操作参数或“模式”来控制等离子体的状况。这些因素包括温度和能量。
位于中国东部安徽省省会合肥的高级超导托卡马克实验装置 (EAST)。 /中央广播电视总台
今天的大多数托卡马克装置,包括 EAST,都在高限制模式或 H 模式下运行。 H 模式使像 ITER 这样的大型反应堆成为可能,H 模式于 1982 年首次在德国的托卡马克装置上被发现。H 模式在限制等离子体方面的效率至少是之前的低限制模式的 100 倍。
然而,H 模式操作的一个显着缺点是它可能会导致等离子体边缘突然释放能量并损害附近的材料。
为了避免损坏表面,科学家们最近探索了 I 模式,也称为改进的限制模式,其中聚变能量通过更连续的过程释放。
但是,科学家们惊讶地发现,与 I 模式相比,新模式大大增强了能量限制,因此获得了超级 I 模式的绰号。皮茨指出,由于仅在 EAST 上观察到超 I 模,目前尚不清楚 ITER 是否可以使用它。他补充说,ITER 计划在类似于 EAST 实验的“高级场景”中运行。
“这些高级场景允许您运行非常长的等离子体持续时间——在 ITER 上长达 3,000 秒。在 H 模式下,ITER 只能达到约 500 秒的等离子体持续时间,”Pitts 说。
EAST 是同类产品中第一个以 1,000 或更少的脉冲运行的。自 2006 年运行以来,该反应堆已支持在国内和全球聚变界进行的数千次实验。
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