403秒！中國“人造太陽”新突破！可控核聚變離我們還有多遠？

出品：科普中國

作者：王騰（中科院合肥物質院等離子體物理研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

2023年4月12日晚，中國“人造太陽”EAST成功實現(xiàn)403秒穩(wěn)態(tài)高約束運行模式（H-mode）等離子體，這是繼2017年實現(xiàn)101秒穩(wěn)態(tài)H-mode等離子體后，再創(chuàng)H-mode運行最長時間記錄。

何為H-mode等離子體？又有何意義？EAST科研團隊的成員為你講述。

（圖片來源：新華社）

可控核聚變研究的關鍵要點

實現(xiàn)核聚變反應需要將氘氚原子核壓縮到很小尺度的核力范圍內，但由于原子核帶正電，必須在極高溫下才能獲得足夠的能量以克服彼此間的庫侖勢壘。當溫度達到1億攝氏度左右時，氘氚原子核發(fā)生聚變反應的截面最大。但沒有任何有形容器能對如此高溫等離子體加以約束，以EAST為代表的托卡馬克裝置利用環(huán)形螺旋磁場對高溫等離子體進行約束，實現(xiàn)可控核聚變反應。

托卡馬克裝置的磁場位形

（圖片來源：等離子體所）

因此，可控核聚變研究的關鍵在于：首先，盡可能提高等離子體的溫度（T）和密度（n），以提高單位體積及單位時間內的聚變反應效率；其次，將高溫、高密度等離子體約束在有限的空間內達足夠長的時間，以減緩能量流失而進一步提高聚變反應效率，這個約束性能一般用能量約束時間（τ****E）來衡量。

獲得聚變反應的三要素

（圖片來源：等離子體所）

根據(jù)勞遜判據(jù)（Lawson criterion）,只有聚變三乘積，才能產(chǎn)生有效的聚變功率輸出。經(jīng)典情況下，H-mode等離子體的能量約束時間會提高2倍左右，同時等離子體的溫度和密度也會相應提高，聚變三乘積將得到大大提高。所以，國際熱核聚變實驗堆（ITER）將H-mode的能量約束時間定標作為設計反應堆的基礎。

高約束運行模式的發(fā)現(xiàn)和特點

托卡馬克等離子體的平衡位形需要由環(huán)向感應電流來維持，這個電流同時對等離子體進行歐姆加熱，早期的托卡馬克裝置主要靠歐姆加熱約束運行模式。但理論和實驗研究表明，除非可以研制出非常強的磁體（大于20特斯拉），否則單純依靠歐姆加熱不可能達到聚變點火條件。

聚變點火需要進一步提高等離子體能量，可以利用高能中性粒子束和射頻波來進行輔助加熱，其加熱總功率一般為歐姆加熱功率的數(shù)倍以上。但實驗發(fā)現(xiàn)：在給定的運行條件下，能量約束時間隨著加熱功率的增加而減小，該約束運行模式稱為低約束運行模式（L-mode）。如果按照L-mode的能量約束時間定標設計和運行反應堆，會導致裝置規(guī)模非常大，這在實現(xiàn)難度和經(jīng)濟性上難以接受。

1982年，德國物理學家Friedrich Wagner在ASDEX托卡馬克裝置上意外發(fā)現(xiàn)H-mode，即在高功率加熱下的能量約束時間基本上是之前低約束態(tài)的2倍。這一極其重要事件對當時可控核聚變屆是一個極大的鼓舞，當這個消息傳到了美國，甚至有人激動地跳上了桌子。

相同加熱功率下H-mode等離子體的密度和極向比壓的垂直分量上升到L-mode的大約2倍

（圖片來源：《Tokamaks》）

在高約束運行模式下，隨著輔助加熱功率注入，等離子體的密度和儲能隨時間增加，氫（氘）α線輻射信號減小。同時，在等離子體邊界處，其密度和溫度梯度呈現(xiàn)較陡的臺階形結構，并伴隨邊界處α線輻射信號出現(xiàn)很強尖峰震蕩。這些H-mode的顯著特點表明，從等離子體損失到器壁上的粒子數(shù)和功率減少，從而使得等離子體約束性能變好。

ASDEX上測得的L-H轉換前后5個不同時刻的密度徑向分布的變化，可以看到H-mode具有明顯的密度分布臺階形成

（圖片來源：《Tokamaks》）

成績的背后是運行團隊的硬核實力

H-mode形成的一個必要條件是輔助加熱功率必須大于某個臨界值，稱為閾值功率。這個閾值功率與裝置的參數(shù)和運行狀態(tài)，以及等離子體參數(shù)和品質密切相關。

首先，H-mode的實現(xiàn)對等離子體中的雜質（即非氫物質）控制提出很高的要求。EAST完善的真空系統(tǒng)和壁處理技術為此提供了保障，對器壁進行長時間的放電清洗，使得邊界粒子打到器壁后再循環(huán)降得很低，最大限度減少濺射出來的雜質，保持等離子體純凈。同時，依賴于EAST先進的等離子體控制技術，盡可能降低等離子體與器壁及其他組件的作用，進一步控制雜質的增加。

EAST真空與壁處理系統(tǒng)

（圖片來源：等離子體所）

其次，在同一實驗條件下，隨著等離子體密度增加，閾值功率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。因此，存在一個最佳密度，在此密度下實現(xiàn)H-mode所需輔助加熱功率最小，這對于長脈沖穩(wěn)態(tài)H-mode的實現(xiàn)至關重要。EAST運行組圍繞本次目標，通過理論分析與實驗研究相結合，在安全范圍內尋找到最佳參數(shù)范圍及裝置運行能力。同時，對等離子體密度的良好控制能力也為目標實現(xiàn)提供重要條件。

EAST實現(xiàn)403秒穩(wěn)態(tài)H-mode等離子體，從上至下分別為：密度、H因子和儲能、比壓、加熱功率、下偏濾器溫度

（圖片來源：等離子體所）

此外，EAST輔助加熱系統(tǒng)的長脈沖運行能力、精確電磁測量和等離子體控制、先進等離子體診斷等諸多技術，提供了堅強保證?？梢?，403秒穩(wěn)態(tài)H-mode等離子體的實現(xiàn)，充分體現(xiàn)出EAST運行團隊的綜合水平和高效能力。

EAST輔助加熱系統(tǒng)

（圖片來源：等離子體所）

創(chuàng)紀錄，更是創(chuàng)未來

通過H-mode實現(xiàn)聚變能開發(fā)，能夠有效降低反應堆裝置的規(guī)模和成本。如果根據(jù)L-mode的能量約束時間定標設計ITER，則裝置規(guī)模將十分龐大，預計耗資約為100億美元；而后來采用H-mode的能量約束時間定標設計ITER，再加上其他修改，裝置規(guī)模大大減小，建造費用也降到50億歐元。

EAST裝置

（圖片來源：等離子體所）

EAST裝置403秒H-mode等離子體的實現(xiàn)，將在未來5年保持領先水平，更進一步驗證了高約束穩(wěn)態(tài)運行的可行性。同時，也為在更長時間尺度上開展H-mode背后深層次的物理機理研究、H-mode下高能粒子對等離子體約束性能的影響研究、邊界局域模的緩解和控制、以及相關理論模型的驗證和發(fā)展，提供必要條件。隨著高約束穩(wěn)態(tài)運行的探索，及相關科學問題的有效解決，將進一步加快聚變能的開發(fā)進程，早日實現(xiàn)由核聚變能點亮的第一盞燈。

參考文獻：

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[6] EAST首次獲得百秒量級穩(wěn)態(tài)高約束模等離子體（等離子體物理研究所）

[7] 劉文斌，EAST實驗運行報告(20230413)，等離子體物理研究所