403秒！中国“人造太阳”新突破！可控核聚变离我们还有多远？

出品：科普中国

作者：王腾（中科院合肥物质院等离子体物理研究所）

监制：中国科普博览

2023年4月12日晚，中国“人造太阳”EAST成功实现403秒稳态高约束运行模式（H-mode）等离子体，这是继2017年实现101秒稳态H-mode等离子体后，再创H-mode运行最长时间记录。

何为H-mode等离子体？又有何意义？EAST科研团队的成员为你讲述。

（图片来源：新华社）

可控核聚变研究的关键要点

实现核聚变反应需要将氘氚原子核压缩到很小尺度的核力范围内，但由于原子核带正电，必须在极高温下才能获得足够的能量以克服彼此间的库仑势垒。当温度达到1亿摄氏度左右时，氘氚原子核发生聚变反应的截面最大。但没有任何有形容器能对如此高温等离子体加以约束，以EAST为代表的托卡马克装置利用环形螺旋磁场对高温等离子体进行约束，实现可控核聚变反应。

托卡马克装置的磁场位形

（图片来源：等离子体所）

因此，可控核聚变研究的关键在于：首先，尽可能提高等离子体的温度（T）和密度（n），以提高单位体积及单位时间内的聚变反应效率；其次，将高温、高密度等离子体约束在有限的空间内达足够长的时间，以减缓能量流失而进一步提高聚变反应效率，这个约束性能一般用能量约束时间（τ****E）来衡量。

获得聚变反应的三要素

（图片来源：等离子体所）

根据劳逊判据（Lawson criterion）,只有聚变三乘积，才能产生有效的聚变功率输出。经典情况下，H-mode等离子体的能量约束时间会提高2倍左右，同时等离子体的温度和密度也会相应提高，聚变三乘积将得到大大提高。所以，国际热核聚变实验堆（ITER）将H-mode的能量约束时间定标作为设计反应堆的基础。

高约束运行模式的发现和特点

托卡马克等离子体的平衡位形需要由环向感应电流来维持，这个电流同时对等离子体进行欧姆加热，早期的托卡马克装置主要靠欧姆加热约束运行模式。但理论和实验研究表明，除非可以研制出非常强的磁体（大于20特斯拉），否则单纯依靠欧姆加热不可能达到聚变点火条件。

聚变点火需要进一步提高等离子体能量，可以利用高能中性粒子束和射频波来进行辅助加热，其加热总功率一般为欧姆加热功率的数倍以上。但实验发现：在给定的运行条件下，能量约束时间随着加热功率的增加而减小，该约束运行模式称为低约束运行模式（L-mode）。如果按照L-mode的能量约束时间定标设计和运行反应堆，会导致装置规模非常大，这在实现难度和经济性上难以接受。

1982年，德国物理学家Friedrich Wagner在ASDEX托卡马克装置上意外发现H-mode，即在高功率加热下的能量约束时间基本上是之前低约束态的2倍。这一极其重要事件对当时可控核聚变届是一个极大的鼓舞，当这个消息传到了美国，甚至有人激动地跳上了桌子。

相同加热功率下H-mode等离子体的密度和极向比压的垂直分量上升到L-mode的大约2倍

（图片来源：《Tokamaks》）

在高约束运行模式下，随着辅助加热功率注入，等离子体的密度和储能随时间增加，氢（氘）α线辐射信号减小。同时，在等离子体边界处，其密度和温度梯度呈现较陡的台阶形结构，并伴随边界处α线辐射信号出现很强尖峰震荡。这些H-mode的显著特点表明，从等离子体损失到器壁上的粒子数和功率减少，从而使得等离子体约束性能变好。

ASDEX上测得的L-H转换前后5个不同时刻的密度径向分布的变化，可以看到H-mode具有明显的密度分布台阶形成

（图片来源：《Tokamaks》）

成绩的背后是运行团队的硬核实力

H-mode形成的一个必要条件是辅助加热功率必须大于某个临界值，称为阈值功率。这个阈值功率与装置的参数和运行状态，以及等离子体参数和品质密切相关。

首先，H-mode的实现对等离子体中的杂质（即非氢物质）控制提出很高的要求。EAST完善的真空系统和壁处理技术为此提供了保障，对器壁进行长时间的放电清洗，使得边界粒子打到器壁后再循环降得很低，最大限度减少溅射出来的杂质，保持等离子体纯净。同时，依赖于EAST先进的等离子体控制技术，尽可能降低等离子体与器壁及其他组件的作用，进一步控制杂质的增加。

EAST真空与壁处理系统

（图片来源：等离子体所）

其次，在同一实验条件下，随着等离子体密度增加，阈值功率呈现先减小后增大的趋势。因此，存在一个最佳密度，在此密度下实现H-mode所需辅助加热功率最小，这对于长脉冲稳态H-mode的实现至关重要。EAST运行组围绕本次目标，通过理论分析与实验研究相结合，在安全范围内寻找到最佳参数范围及装置运行能力。同时，对等离子体密度的良好控制能力也为目标实现提供重要条件。

EAST实现403秒稳态H-mode等离子体，从上至下分别为：密度、H因子和储能、比压、加热功率、下偏滤器温度

（图片来源：等离子体所）

此外，EAST辅助加热系统的长脉冲运行能力、精确电磁测量和等离子体控制、先进等离子体诊断等诸多技术，提供了坚强保证。可见，403秒稳态H-mode等离子体的实现，充分体现出EAST运行团队的综合水平和高效能力。

EAST辅助加热系统

（图片来源：等离子体所）

创纪录，更是创未来

通过H-mode实现聚变能开发，能够有效降低反应堆装置的规模和成本。如果根据L-mode的能量约束时间定标设计ITER，则装置规模将十分庞大，预计耗资约为100亿美元；而后来采用H-mode的能量约束时间定标设计ITER，再加上其他修改，装置规模大大减小，建造费用也降到50亿欧元。

EAST装置

（图片来源：等离子体所）

EAST装置403秒H-mode等离子体的实现，将在未来5年保持领先水平，更进一步验证了高约束稳态运行的可行性。同时，也为在更长时间尺度上开展H-mode背后深层次的物理机理研究、H-mode下高能粒子对等离子体约束性能的影响研究、边界局域模的缓解和控制、以及相关理论模型的验证和发展，提供必要条件。随着高约束稳态运行的探索，及相关科学问题的有效解决，将进一步加快聚变能的开发进程，早日实现由核聚变能点亮的第一盏灯。

参考文献：

[1] John Wesson, Tokamaks (4th edition), Oxford University Press, 2011.

[2] 秦运文，托卡马克实验的物理基础，原子能出版社，2011.

[3] 董家齐，托卡马克高约束运行模式和磁约束受控核聚变[J]，物理，2010，39(06):400-405.

[4] 石秉仁，托卡马克物理基础，浙江大学聚变理论和模拟中心（专题讲座），2007.

[5] Friedrich Wagner et al., Regime of Improved Confinement and High-Beta in Neutral-Beam-Heated Divertor Discharges of the Asdex Tokamak, Physical Review Letters, 1982, 49(19):1408-1412.

[6] EAST首次获得百秒量级稳态高约束模等离子体（等离子体物理研究所）

[7] 刘文斌，EAST实验运行报告(20230413)，等离子体物理研究所