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
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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(τE)来衡量。
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获得聚变反应的三要素。图源：等离子体所
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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)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。
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。
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EAST真空与壁处理系统。图源：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。
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。图源：等离子体所
04、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.
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[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
