2024年上半年，法國超導(dǎo)托卡馬克裝置WEST創(chuàng)造了一項(xiàng)記錄：在5,000萬攝氏度的穩(wěn)態(tài)溫度下，成功將等離子體持續(xù)運(yùn)行了364秒。這一成就標(biāo)志著法國在核聚變研究領(lǐng)域取得了新的突破。據(jù)悉，這一相關(guān)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)從2024年1月開始，已于4月26日結(jié)束。下一次實(shí)驗(yàn)活動(dòng)預(yù)計(jì)將于今年秋季開始，屆時(shí)將會(huì)應(yīng)用新的ECRH系統(tǒng)。

一、裝置概覽

WEST(W Environment in Steady-state Tokamak)，即鎢環(huán)境下的穩(wěn)態(tài)托卡馬克裝置，由法國原子能和替代能源委員會(huì)(CEA)下屬的磁約束聚變研究所(IRFM)設(shè)計(jì)制造。其前身Tore Supra Tokamak裝置于1988年開始運(yùn)行，是世界上第一個(gè)集成了所有產(chǎn)生長脈沖等離子體所需技術(shù)的大型托卡馬克，包括超導(dǎo)磁體和冷卻系統(tǒng)、主動(dòng)冷卻的等離子體第一壁部件、加壓水循環(huán)、強(qiáng)大的加熱和電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、泵限制器以及實(shí)時(shí)保護(hù)和控制能力。2013-2015年，法國對(duì)Tore Supra進(jìn)行了改造升級(jí)，將等離子體和限制器配置從圓形變?yōu)镈形，并用鎢代替碳作為面對(duì)等離子體的材料，Tore Supra裝置隨即也更名為WEST。

CEA(Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives)，即法國原子能和替代能源委員會(huì)，最早成立于1945年10月，現(xiàn)有員工超過2萬人，年度研發(fā)經(jīng)費(fèi)預(yù)算超過59億歐元。CEA由法國政府資助，主要從事能源、國防和安全、信息技術(shù)和衛(wèi)生技術(shù)等領(lǐng)域的研究開發(fā)。具體包括：核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)，集成電路的制造，放射性同位素治療疾病的使用，地震學(xué)和海嘯的傳播，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安全等方面。

IRFM(Institut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique)，是CEA下屬的磁聚變研究所。該研究所位于卡達(dá)拉舍，臨近ITER項(xiàng)目。IRFM因其在長脈沖等離子體和相關(guān)技術(shù)方面的專業(yè)知識(shí)而受到國際科學(xué)界的認(rèn)可。IRFM研究活動(dòng)圍繞三個(gè)方面進(jìn)行：

1.為ITER項(xiàng)目和“Broader Approach”項(xiàng)目(包括JT-60SA、IFERC和IFMIF-EVEDA)的實(shí)施做出貢獻(xiàn)

2.通過控制和實(shí)驗(yàn)活動(dòng)與理論和建模，準(zhǔn)備為ITER的科學(xué)操作做準(zhǔn)備

3.為未來的聚變反應(yīng)堆奠定基礎(chǔ)

二、預(yù)期目標(biāo)

WEST主要是用來獲得類ITER偏濾器組件的批量生產(chǎn)和質(zhì)量控制經(jīng)驗(yàn)，并在ITER之前驗(yàn)證鎢環(huán)境下的等離子體運(yùn)行等關(guān)鍵技術(shù)，從而為ITER裝置的建設(shè)和后續(xù)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。總的來說，WEST主要科學(xué)目標(biāo)有兩個(gè)：

1.為ITER解決主動(dòng)冷卻、全鎢偏濾器的運(yùn)行技術(shù)問題

2.掌握金屬第一壁條件下等離子體壁平衡時(shí)間尺度內(nèi)的等離子運(yùn)行方案

三、突出特點(diǎn)

-采用全鎢偏濾器：采用全鎢作為偏濾器材料，發(fā)揮鎢具有耐高溫且不吸收氚的優(yōu)勢。

-具備長脈沖運(yùn)行能力：能夠進(jìn)行長達(dá)1,000秒的長脈沖運(yùn)行，為研究聚變反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)操作提供了條件。

-具備高熱通量承受能力：能夠承受高達(dá)10MW/m²的熱通量，與ITER預(yù)期熱負(fù)載相似。

-主動(dòng)冷卻系統(tǒng)：配備了主動(dòng)冷卻系統(tǒng)，用于監(jiān)測和保護(hù)面對(duì)等離子體的部件(PFCs)，確保安全運(yùn)行并提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)用于等離子體與壁相互作用(PWI)的物理研究。

-多種射頻加熱和電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：應(yīng)用離子回旋共振加熱(ICRH)、低雜波電流驅(qū)動(dòng)(LHCD)、電子回旋共振加熱(ECRH)，能夠?qū)崿F(xiàn)高粒子通量和高功率的等離子體加熱。

-獨(dú)特的X射線探測器：配備了獨(dú)特的X射線探測器，用于改進(jìn)對(duì)等離子體輻射特性的測量。

四、核心參數(shù)

WEST核心參數(shù)為：等離子體大半徑2.5m、小半徑0.50m，環(huán)向等離子體磁場最高3.7T，等離子體電流1MA，等離子體放電時(shí)間最長可以持續(xù)1000S，等離子體體積17立方米，輔助加熱功率達(dá)到17MW(9MW的ICRH、1MW的ECRH、7MW的LHCD)。

另外，其前身Tore Supra核心參數(shù)：等離子體大半徑2.25m、小半徑0.70m、環(huán)向等離子體磁場最高4.5T、等離子體電流1.7MA、輔助加熱功率達(dá)到20MW。

五、發(fā)展里程碑

-1976年，Tore Supra初始研究開始。

-1980年，Tore Supra建造工作啟動(dòng)。

-1982-1988年，步入線圈制造和磁體組裝階段。

-1988年，Tore Supra開始運(yùn)行并產(chǎn)生第一個(gè)等離子體。

-1993年，Tore Supra實(shí)現(xiàn)120秒的長脈沖放電，等離子體溫度達(dá)到2,000萬攝氏度，成為世界上首個(gè)實(shí)現(xiàn)高參數(shù)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的托卡馬克裝置。

-1996年，Tore Supra以280MJ的循環(huán)能量成功將等離子體持續(xù)運(yùn)行了2分鐘。

-2001-2002年，Tore Supra進(jìn)行升級(jí)改造。

-2003年12月，Tore Supra成功將等離子體維持了390秒，創(chuàng)造了新的記錄。

-2008年，Tore supra首次應(yīng)用具備視覺診斷功能的AIA機(jī)器人。

-2013年，Tore Supra開始拆卸，并宣布更名為WEST，旨在研究全鎢偏濾器在長時(shí)間等離子體運(yùn)行中的表現(xiàn)。

-2013年6月，第一批WEST組件開始生產(chǎn)。

-2014年10月，真空容器第一批組件開始組裝。

-2016年12月，WEST首次產(chǎn)生等離子體。

-2017-2019年，WEST進(jìn)行了第一階段的運(yùn)行，共進(jìn)行了4次實(shí)驗(yàn)活動(dòng)(C1-C4)。這一階段，WEST下偏濾器由ITER級(jí)PFU和慣性冷卻的涂層石墨PFU組成。

-2023年6月，WEST第二階段活動(dòng)開始。

-2024年5月，WEST在5,000萬攝氏度的穩(wěn)態(tài)溫度下，成功將等離子體持續(xù)運(yùn)行了364秒。

六、中國合作伙伴

我國中國科學(xué)院等離子體物理研究所(ASIPP)與核工業(yè)西南物理研究院(SWIP)曾參與了WEST裝置部件研制。