中国“人造太阳”再创世界新纪录_风闻

文/观察未来科技

1982年，德国物理学家Friedrich Wagner意外发现高约束运行模式（H-mode）——在高功率加热下的能量约束时间基本上是低约束态的2倍。2017年，中国实现101秒稳态H-mode等离子体，创下H-mode运行最长时间记录。时隔7年，中国“人造太阳”EAST于2023年4月成功实现403秒稳态H-mode等离子体，再创H-mode运行最长时间新记录。 

解析H-mode等离子体

H-mode（高约束运行模式）等离子体，是可控核聚变研究的关键要点。鉴于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，而这种情况的实现需要以高达1亿摄氏度左右的温度为条件，对此，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，借以实现可控核聚变反应。

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，而早期的托卡马克装置主要靠欧姆加热约束运行模式。但单纯依靠欧姆加热不可能达到聚变点火条件，所以，还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。

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。 

EAST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。

其次，在同一实验条件下，等离子体存在着一个最佳密度，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。对此，EAST运行组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。

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，为403秒稳态H-mode等离子体的实现提供了坚强保障。这也充分体现出EAST运行团队的综合水平和高效能力。

       EAST装置403秒H-mode等离子体的实现，将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。同时，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。