EAST超导托卡马克核聚变
世界首个全超导核聚变实验装置1剖析
2010年12月24日,中国新一代“人造太阳”实验装置、世界首个全超导托卡马克(EAST 2010年度实验圆满结束,目前已获得1兆安等离子体电流、100秒1500万度偏滤器长脉冲等离子体、大于30倍能量约束时间高约束模式等离子体、3兆瓦离子回旋加热等多项重要实验成果。
图为全超导托卡马克(EAST实验装置全景。
新华社记者郭晨摄新华社合肥1月14日电记者14日从中科院合肥物质研究院了解到,我国新一代“人造太阳”实验装置EAST中性束注入系统(NBI测试台近日在进行大功率离子束引出实验过程中,首次成功获得兆瓦级强流离子束。
负责这项研究工作的胡纯栋研究员介绍说,EAST中性束注入系统(NBI测试台在实验过程中,成功获得束能量50千伏,束流22安培,束脉宽106毫秒的引出束流,离子束功率达到1.1兆瓦。
测试结果圆满达到了EAST-NBI兆瓦级强流离子源研制的阶段性计划目标。
这表明我国自主研制的第一台兆瓦级强流离子源以及大功率中性束注入器实验装置,完成了具有里程碑意义的阶段性实验成果。
据介绍,“EAST装置辅助加热系统”是国家“十二五”大科学工程,2010年7月正式立项,它是使EAST具有运行高参数等离子体的能力,从而可以开展与国际热核聚变反应堆密切相关的最前沿性研究的重要系统。
其主要包括低杂波电流驱动系统、中性束注入系统这两大系统。
中性束注入系统广泛涉及等离子体物理、强流离子束、精密机械制造、高真空、低温制冷以及辐射防护等多学科技术领域。
中科院合肥物质研究院NBI工程团队的科研人员2011年下半年,夜以继日地对基于NBI综合测试平台的强流离子源装置进行放电测试、老化锻炼、子系统联调等逐项实验,在首先获得离子源100秒长脉冲等离子体放电的基础上,终于首次达到了兆瓦级强流离子束研制的阶段性计划目标。
胡纯栋介绍,此次实验结果将为下一阶段长脉冲高能量的离子束调试打下坚实基础,并为EAST辅助加热系统最终目标——2至4兆瓦中性束注入系统的研制提供强有力的可靠支持。
耀起东方——记世界上首个全超导托卡马克(EAST)东方超环装置
火”） 的托卡马克核 聚 变实验堆 ， 以便 对未 来聚 变示范 堆及 商用聚 变堆 的物 理和工程 问题做 深入探索。
核 聚 变 研 究 是 当 今 世 界 科 技 界 为 解 决 人 类 未 来 能 源 问 题 而 开 展 的 重 大
美、日、 欧３ 处， 并于１ ９ ８ ８ 年开始实验堆
子 能 委员会 （ １ ＡＥＡ） 之外 ， 总 部 分 设
聚 变反应 ． 随着各 国大小不一的托卡马 克装置 的建成 、 投入 运行和实验 ， 托卡 马克显示了较 为光 明的前景 ： 等 离子体 达 到了数百万度 ， 等离子体约 束也 获得
了 明显 效 果 。 科 学 家 们 认识 到 ， 如 果 扩
０ ５ ｋ ｅ Ｖ ， ｎ Ｔ＝ １ ０ 的１ ８ 次 方 ｍ一 ３ ． Ｓ ， 这 是
能： ｌ ； ＝ 的“ 摇 篮”
存 茫 茫 宇 宙 中不 过 沧 海 一 粟 的 普 通恒 星—— 太 阳 ， 对 于 整 个 太 阳 系 而 言 却 是 独 ～ 无 二 的 中心 天 体 在 它 的 内
秒稳 态长脉冲高约束等离子体运行， 创
造 了新 的 世界 纪 录 这一 里程 碑 式 的 重要 突 破 标 志 着 ， Ｅ Ａ Ｓ Ｔ 成 为世 界 上 第一 个 实现 稳 态 高约
束模 式运行 持续 时间达到 百秒量 级 的
托 卡 马克 核 聚 变实 验 装 置 ， 表 明我 国磁 约 束 聚 变 研 究 在 稳 态 运 行 的 物 理 和 工
受 控核 聚 变研 究的 重大 突 破 ， 在 国 际 上 立 刻 掀 起 了一 股 托 卡马 克 的 热 潮 ， 各 国 相 继 建 造 或 改 建 了一 批 大 型 托 卡 马
克 装 置
我国核聚变领域装置介绍
我国核聚变领域装置介绍核聚变是一种将轻元素聚变成重元素的过程，释放出巨大能量的物理现象。
在我国，核聚变领域装置扮演着重要的角色，为科学研究和能源开发提供了有力支撑。
我国核聚变领域装置主要包括实验装置和工程装置两类。
实验装置用于研究核聚变的基本原理和相关技术，而工程装置则是为了实现可控核聚变反应，提供大规模清洁能源。
目前我国主要的核聚变实验装置是中国国家核聚变能源科学研究中心（中国核聚变研究所）建设的东方超环（EAST）装置。
EAST是我国第一台超导托卡马克装置，采用了超导磁体和等离子体加热系统，具有较高的等离子体温度和持续时间。
通过EAST装置，科研人员可以模拟和研究实际核聚变反应的条件，为工程装置的建设提供宝贵的经验和数据。
而我国核聚变工程装置的代表是中国国家核聚变能源工程研究计划（ITER计划）参与建设的国际热核聚变实验堆（ITER）。
ITER是目前全球最大的核聚变工程装置，由欧洲、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度和中国等国家联合参与建设。
该装置采用了托卡马克型磁约束装置，利用超强磁场将等离子体束缚在中心区域，通过加热和压缩等手段实现核聚变反应。
中国作为ITER计划的参与方，承担着关键的任务和责任。
我国核聚变领域的研究人员和工程师们在ITER计划中积极参与核聚变技术的研发与实践，为最终实现可控核聚变提供了重要的支持和贡献。
除了EAST和ITER，我国还在积极推进其他核聚变实验装置的建设和研究。
例如，我国正在建设的中国环向聚变实验装置（CFETR）将是我国第一个具有商业级能力的核聚变实验装置，预计在2035年前后投入运行。
CFETR将进一步提升我国在核聚变领域的研究和实验能力，为实现可控核聚变提供更加坚实的基础。
核聚变技术作为清洁能源的潜在来源，具有巨大的发展潜力。
我国在核聚变领域的装置研究和工程建设方面取得了令人瞩目的成就，为推动清洁能源的发展和应对气候变化做出了积极贡献。
随着我国在核聚变领域的实验和工程装置不断发展和完善，相信将来核聚变技术能够为人类提供更加可靠、高效的能源解决方案。
我国等离子体领域成就和专家
我国等离子体领域成就和专家1——全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST），有“人造太阳”之称，其运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚，通过类似变压器的原理使其产生等离子体，然后提高其密度、温度使其发生聚变反应，反应过程中会产生巨大的能量。
2006年9月28日，世界上首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置首轮物理放电实验取得成功，标志着中国站在了世界核聚变研究的前端。
2016年2月，中国EAST物理实验获重大突破，实现在国际上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电。
2018年11月12日，从中科院合肥物质科学研究院获悉，EAST实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破。
2021年5月28日，全超导托卡马克核聚变实验装置创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，将1亿摄氏度20秒的原纪录延长了5倍。
12月，全超导托卡马克核聚变实验装置度开机运行。
12月30日晚，全超导托卡马克核聚变实验装置实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。
2023年4月12日21时，全超导托卡马克核聚变实验装置创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。
专家——吴征威在公共卫生健康领域，他将等离子体技术应用于消毒灭菌，开发出多款康复辅助产品，在解决环境安全、公共卫生、食品保鲜等疑难课题方面取得了显著成绩。
等离子体可以在短时间内杀灭各类细菌、真菌、霉菌等微生物。
利用这一技术，能够高效的形成相对洁净的空间，根据需求快速部署，尤其在自然灾害或重大伤亡事故发生时，此类装备能够在帐篷、车辆、建筑内迅速建立起初级卫生防疫系统。
他主持开发的“便携式等离子体杀菌装置”已形成样机，有望成为一种替代性的物理除菌方法。
此外，他与同事们一起利用等离子体技术对传统的骨科材料进行处理，获得了更安全、生物相容性更好、具有部分自清洁功能的生物医学材料。
核聚变 每课一练 (含解析) (27)
17．指出下列核反应的类型：
（1） _3） ________
18．下列说法中正确的是______
A．氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，释放出一定频率的光子，同时电子的动能增大，电势能减小
B．普朗克为了解释光电效应的规律，提出了光子说
考点：爱因斯坦质能方程、裂变反应和聚变反应
【名师点睛】本题考查了核反应方程式、质能方程的应用、核反应的分类，核反应分为核聚变与核裂变，要注意它们的区别；本题难度不大，是一道基础题，熟练掌握基础知识，即可正确解题。
2．A
【解析】
试题分析：重核裂变是质量数较大的核裂变为质量中等的核，聚变是质量数较小的核转化为质量较大的核，核反应满足转化过程中质量数和电荷数都守恒．A、方程②是质量数较小的和转化为质量较大的核，属于轻核聚变，故A正确；B、方程①是质量数较大的核裂变为质量中等的核，属于重核裂变，故B错误；C、太阳能的产生是由于太阳内部高温高压条件下的热核聚变反应形成的，故C错误；D、同位素的质子数相同，故D错误．故选A。
A．这种装置中发生的核反应方程式是
B．由核反应过程质量守恒可知m1+m2=m3+m4
C．核反应放出的能量等于（m1+m2–m3–m4）c2
D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理不相同
2．“两弹”所涉及的基本核反应方程有：① ，② ，关于这两个方程，下列说法正确的是
A．方程②属于轻核聚变
C．在微观物理学中，能同时准确地质点粒子的位置和动量
D．科学研究发现太阳光是由于其内部不断发生从氢核到氦核的裂变反应
19．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为 + + ， + +X+ 方程式中 1、 表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：
山东省泰安一中(泰安市)高三下学期高考一模物理试卷_1
2022届山东省泰安一中（泰安市）高三下学期高考一模物理试卷一、单选题1．2021年12月30日，中科院全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）在7000万摄氏度的高温下实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行。
若某次聚变反应是4个氢核11H结合成1个氦核24He，同时释放出正电子10e。
已知氢核的质量为mp，氦核的质量为mα，正电子的质量为m e，真空中光速为c，则此次核反应释放的能量为（）A．（4mp-mα-me）c2B．（4mp-mα-2me）c2C．（4mp+mα-m e）c2D．（4mp+mα-2me）c22．如图所示，一定质量的理想气体从状态a经绝热过程到达状态b，再经等容过程到达状态c，最后经等温过程返回到状态a。
已知在b到c的过程中，气体吸收热量为10J。
下列说法正确的是（）A．a到c过程，气体对外界做功10J B．a到c过程，外界对气体做功10JC．a到b过程，气体对外界做功10J D．a到b过程，外界对气体做功10J3．如图所示，两个质量均为m的小球a和b套在竖直固定的光滑圆环上，圆环半径为R，一不可伸长的细线两端各系在一个小球上，细线长为2√3R。
用竖直向上的力F拉细线中点O，可使两小球保持等高静止在圆上不同高度处。
当a、b间的距离为√3R时，力F的大小为（重力加速度为g）（）A．√3mg B．√3mg C．2mg D．3mg24．2021年5月15日7时18分，“天问一号”火星探测器成功着陆于火星乌托邦平原南部预定着陆区，我国首次火星探测任务取得成功。
着陆前曾经在周期为T的椭圆形停泊轨道绕火星运行，此轨道与火星表面的最近距离为d1，最远距离为d2。
已知火星半径为R，则火星表面处自由落体的加速度为（）A ．π2(2R+d 1+d 2)32T 2R2B ．π2(R+d 1+d 2)32T 2R2C ．(2R+d 1+d 2)38T 2R2D ．π2(2R+d 1+d 2)32T 2R35．如图所示，正方形四个顶点上依次置放电荷量为+q 、+q 、+q 、-q 的点电荷，a 、b 、c 、d 是对角线上的四个点，他们到中心O 点的距离均相同。
中国的超导托卡马克
Magnet system
PF magnets Total weight 38.7 tons, Total flux swing 10 VS
全超导磁体; CIC C导体; 连续绕制工艺; 真空压力浸渍
ASIPP
15仟安TF,PF CICC导体
600米长的CICC导体生产线
30 吨超导线,58 根导体,总长度35 公里
ASIPP
线圈制造 在等离子体所内进行
impregnation Equipment installed in ASIPP for TF and PF coils VPI
ASIPP
TF, CS and PF model coil after VPI
EAST 极向场线圈
ToreSupa
R=2.45m Ip= 1 MA Bt= 3.5 T, Nb3Sn, 4.5K 迫流冷却 R= 2.38 m, Ip= 1.4 MA Bt= 3.8T， NbTi, 1.8K 超流氦 浸泡冷却
TPX (Tokamak Physics Experiment) & KSTA
TPX R (m) 2.25 a (m) 0.50 A 4.5 Bt (T) 4.0 Ip (MA) 2.0 δx 0.8 kx ~ 2.0 Tdis (S) 1000 Nb3Sn TF，CS PF NbTi 1st Plasma (2000) Cost M$ 540 KSTA 1.8 0.5 3.6 3.5 2.0 0.8 2.0 300 Nb3Sn NbTi 2008
中国的超导托卡马克 HT-7和EAST
翁佩德
2013年11月13日
核聚变-未来的能源
氘 中子
最有可能实现的是氘氚核聚变 D+T
“东方超环”核聚变实验装置
“东方超环”核聚变实验装置人类曾赖以生存的传统能源——煤炭、石油、天然气正在逐渐枯竭，据预测，它们的服务时间最多只够再维持两三百年。
面对如此严峻的“能源危机”，人类将视线转移到太阳能、风能、水能、海洋能、生物质能等新能源上，但因技术和自然因素的限制，其产生的能量仍无法满足人类需求。
一筹莫展之际，人类从太阳身上得到了灵感。
每天都在发光发热的太阳拥有无穷的能量，而给予它能量的正是太阳核心所发生的核聚变反应，科学家便由此联想到人为制造核聚变反应，从而释放出可以为人类所用的能量。
氢弹就是人类已经实现的一种核聚变反应产物，但氢弹的问题是能量缓释无法控制，所以它爆炸的一瞬间形成了可以毁灭地球的杀伤力。
为了将这种具有强大杀伤力的能量转化为可以为人类所用的能源，一系列受控热核聚变能的研究相继展开。
由我国科技工作者独立设计制造的“东方超环”核聚变实验装置，是世界首个全超导托卡马克装置，通过将反应原料加热到上亿摄氏度（比太阳核心温度高十倍）来实现可控核聚变反应。
因为这一实验的反应原理与太阳相同，因此也被称为“人造太阳”项目。
诊断系统“东方超环”在进行实验时，科学家们需要全程监控它的各项反应参数。
然而由于“超高温度”造成的极限环境很难直接测量，科学家们就“迂回”地采用光谱分析来推导里面的各项参数数据。
这种方法很像医生通过听诊来判断人体内的健康情况，因此将极限环境下的测量系统称为诊断系统。
微波加热系统采取家用微波炉的微波共振原理，通过数万倍于家用微波炉的加热功率将聚变燃料的温度加热到上亿摄氏度，以达到核聚变所需的反应温度（相当于数万个家用微波炉同时运转）。
文/张素贞低温分配系统为“东方超环”上的超导材料分配低温冷却剂（主要是零下269摄氏度的液氦），使超导导体达到所需的低温，从而实现“超大电流”在超导材料上“无阻碍”地通过。
中性束注入系统利用中性粒子不受磁场控制的原理，将加速后具有巨大动能的中性粒子与带电粒子进行碰撞来传递能量，从而加热聚变材料。
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EAST超导托卡马克核聚变：中国又一技术令全球震动
这是一项了不起的成果。
国家重大科学工程项目“EAST超导托卡马克核聚变实验装置”在安徽省合肥市中科院等离子体研究所通过了国家发改委组织的验收。
如果说起这套装置的科学意义，那就是在探索人类最终解决能源问题的征途上，中国人又迈出了一大步；或者说中国人向着“产生等离子体最长时间达1000秒、温度超过1亿摄氏度”的科学目标又前进了一步。
有关专家指出，这标志着我国在全超导核聚变实验装置领域走在了世界前列。
“我们成了国际聚变会议的V IP”
2006年10月。
国际原子能机构在我国四川省成都市举行了第21届国际聚变能大会，EAST项目总经理万元熙作了大会的第一个邀请报告。
报告结束时，与会的600多名聚变专家和会议代表全体起立，热烈鼓掌。
此刻的万元熙体会到了作为一名中国科学家的自豪。
以前，参加聚变科学的国际会议，等离子体所的人主要是扮演听客的角色。
为了彰显自己的研究成果，他们曾在会场上张贴过研究报告，也进行过口头交流。
如今，在重要的国际聚变会议上，等离子体所的科学家都要被邀请做报告，“我们成了这种会议的VIP(贵宾)。
因为我们研制的EAST走在了这个领域的前沿。
”
1998年7月，EAST被国家计委正式批准为国家“九五”重大科学工程立项建设。
项目总投资为1.65亿元人民币。
同样的项目，韩国拿出了3亿美元，在美国需要5.7亿美元。
“经费紧张，再加上国际上谁也没做过这种装置，许多关键技术全世界都没有成功的经验可借鉴。
这就逼着我们自力更生，艰苦奋斗，从设计、关键技术与工艺的预研入手，完全靠自己的力量干。
”万元熙道出了实情。
“我做不出来，换人吧”
潘皖江博士参加EAST工程建设时31岁，主要负责装置低温绝缘复合材料的研究工作。
绝缘子是EAST主机中一个核心部件，整个装置中大小不同有500多件。
只要其中一个出现故障都是毁灭性的破坏。
小潘带领几个人承担了绝缘子的结构设计及工艺研究工作。
难啊。
一个名不见经传的小青年，承担了一项国际上实行技术封锁、国内从来无人做过的重要研究。
没有任何经验可借鉴，全凭自己摸索。
试验，失败，再试验，再失败……一次次的打击让小潘难以承受。
他找到领导：“我做不出来，你们换人吧！”
项目领导相信小潘的能力，鼓励他继续干。
小潘又回到了实验室，还是在黑暗中摸索。
最终，小潘掌握了关键技术，拿出了合格的绝缘子。
EAST是世界第一个全超导非圆截面核聚变实验装置。
在它的母体里，嵌入了太多的中国科学家的自主创新。
“整个项目的自研率在90%以上，取得了65
项具有自主知识产权的技术和成果。
”等离子体所所长李建刚如数家珍。
2003年10月，有25位外国人到合肥对EAST进行了评估，其中包括英、德、美、俄、日、法等国著名聚变研究所的所长和国际聚变研究组织的负责人，也包括“国际热核聚变试验堆”(ITER)计划的负责人，又都是EAST工程建设的国际顾问委员会成员。
他们写下的评议意见是：“EAST将是一个对世界聚变研究产生重要影响的先进科学设备；它将是世界上第一个同时具有全超导磁体和主动冷却结构的托卡马克，能实现稳态运行；EAST是中国聚变研究向前迈出的一大步，是中国新一代聚变人才培养的巨大成功。
”
“病人拒绝住院”
2002年12月，合肥的冬天格外的冷。
等离子体所副所长武松涛的嗓子疼得厉害，说话沙哑。
但他一天到晚还在不停地工作，因为他是EAST主机的总体设计负责人。
几天后，武松涛“哑巴”了，连喝水都困难了。
大夫诊断他患了急性扁桃体炎，要求立即住院动手术，并且开好了住院单。
那时，EAST正处于建设的关键期。
武松涛坚决不住院，只是每天到医院打一会儿点滴，之后照常上班。
医生三次要求他住院，都被他拒绝了。
无奈的医生特别在武松涛的病历上作了记录：“病人拒绝住院”。
EAST建设了8年，等离子体所不仅收获了世界上第一个具有非圆截面的全超导托卡马克装置，而且也炼就了一支具有拼搏精神的战斗队伍。
项目总经理万元熙经常加班加点，工作在实验第一线。
然而他却是一个胃切除4/5，并患过心脏病，至今还留有心肌梗塞病灶的人。
所长李建刚坦言，我们的团队里，没有一名院士，都是普通的科技人员做工程。
这个团队创造了奇迹：经过8年努力，EAST装置一次调试成功。
“这种大科学工程，如果有一个人的工作不合格，就会影响整个工程的进展。
”
自主创新、爱国精神、团队精神、拼搏奉献，一项EAST工程，使我国聚变科技界有了众多收获。
2006年11月21日，国际热核聚变实验反应堆计划(ITER)正式启动，该计划被称为人类最终解决能源问题的最大希望。
作为参与国，我国将承担10%的责任。
在这样的国际合作的大科学工程中，中国人能够占有一席之地，这与EAST的成功有着巨大的关联。