403秒！中国人造太阳又创世界纪录：领先世界5年
简介：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
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？EAS T科研团队的成员为你讲述。
图源：新华社
01、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（E）来衡量。
获得聚变反应的三要素。图源：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。
02、可控核聚变研究的关键要点
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，德国物理学家弗里德里希瓦格纳（Fridrich Wagner）在 ASDEX 托卡马克装置上意外发现 H-mode，即在高1316世界之最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）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。图源：《Tokamaks》
03、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。
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