403秒！中国人造太阳又刷新世界纪录！

　　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（Hmode）等离子体，这是继2017年实现101秒稳态Hmode等离子体后，再创Hmode运行最长时间记录。
　　何为Hmode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）
　　获得聚变反应的三要素（图片来源：等离子体所）
　　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（Lmode）。如果按照Lmode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FriedrichWagner在ASDEX托卡马克装置上意外发现Hmode，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Hmode等离子体的密度和极向比压的垂直分量上升到Lmode的大约2倍（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）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Hmode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LH转换前后5个不同时刻的密度径向分布的变化，可以看到Hmode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
　　Hmode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，Hmode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Hmode所需辅助加热功率最小，这对于长脉冲稳态Hmode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Hmode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Hmode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Hmode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Lmode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Hmode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Hmode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Hmode背后深层次的物理机理研究、Hmode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〕JohnWesson，Tokamaks（4thedition），OxfordUniversityPress，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）：400405。
　　〔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〕FriedrichWagneretal。，RegimeofImprovedConfinementandHighBetainNeutralBeamHeatedDivertorDischargesoftheAsdexTokamak，PhysicalReviewLetters，1982，49（19）：14081412。
　　〔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
　　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