「解读」中国人造太阳成功实现403秒稳态高约束运行模式

4月12日晚21时，正在运行的世界首个全超导托卡马克EAST装置获重大成果，成功实现了403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，创造了托卡马克装置高约束模式运行新的世界纪录。

4月13日下午19时，EAST装置再次重复了403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，标志着EAST全超导托卡马克装置高参数长脉冲稳态运行的可靠能力。

（图片来源：新华社）

什么是“人造太阳”？

人造太阳就是人类模仿太阳发光发热的原理，建造一种可以产生和太阳相同反应的“装置”，从而产生巨大能量为人类所用的计划。太阳之所以产生大量的光和热，其能量来源就来自于核心的“核聚变反应”。具体来说就是两个轻原子核聚合成一个稍重的原子核，并在这个过程中产生巨大的能量。

太阳的能量来自核心区的核聚变反应（图片来源：网络）

要想在地球上实现同样的反应，就要想办法把轻原子核之间的距离尽量接近，直到原子核之间的核力可以发挥作用，把两个原子核聚合在一起。但这是非常难以实现的，因为原子核都是带正电的，他们之间会有一种天然的排斥力（同性电荷会产生库伦斥力），这种排斥力会随着距离的缩短大大增加。那么在这么大的排斥力下，我们如何才能把两个原子核聚合在一起呢？答案是除了库伦斥力之外，原子核之间还有一个吸引力，这种力只有在非常近的距离才能发生作用（1千万亿分之一米）。

人造太阳上的核聚变反应原理

所以我们要给予原子核足够的能量，让它们有足够高的速度进行“碰撞”，极高的速度可以克服巨大的排斥力无限接近，直到核力发生作用，将原子核“聚合”在一起。微观世界中的“速度”体现在宏观世界中就是“温度”，因此人造太阳的反应温度非常高（一般在1 亿摄氏度以上），如此高的温度，是找不到任何固体的容器“盛装”反应物质的，所以科学家们想到用无形的“磁场”对带电的原子核和电子进行控制，从而建成了一种通过环形螺旋磁场来“约束”高温反应物质的装置，这一类装置有个拗口的名字叫做“托卡马克”。为了方便公众理解，媒体一般称托卡马克装置为“人造太阳”。

托卡马克真空室内部

建造“人造太阳”的关键要点

人造太阳的最终目的，就是实现长时间稳态的核聚变反应，从而产生源源不断的能量，为人类生产生活需用。而要想实现核聚变反应，最关键的问题就是如何让原子核们克服重重阻力顺利相遇。首先我们可以尽量提高温度，从而让原子核们有足够高的速度去进行碰撞。其次我们可以尽量增加密度，从而增加原子核相遇的几率。最后我们还可以尽量延长时间，让原子核们有足够多的时间去相遇。

获得聚变反应的三要素

通过计算，科学家们发现温度（T）、密度（n）、能量约束时间（τ）这三者的乘积达到一定的值，核聚变反应就可以高效发生，这就是著名的“劳逊判据”（Lawson criterion）。所以，自人类开始“人造太阳”计划，就一直在努力提高温度、密度和能量约束时间这三者的乘积。

什么是“高约束运行模式”？

早期的托卡马克装置主要靠外界引发聚变原料产生的电流和电阻来进行加热（欧姆加热）。但是单纯依靠欧姆加热是无法达到聚变反应的条件的，这个时候科学家们就引入了中性束注入加热技术和微波加热技术。这些加热手段被统称为“辅助加热”技术，虽说名字是辅助，但是对加热的贡献可是大大的。中性束注入加热技术主要是通过输入高能中性粒子与反应原料粒子进行碰撞来传递能量。而微波加热技术则是通过不同频段的波与反应原料的粒子发生共振来输入能量。有了这些辅助加热技术，聚变原料（反应物质）的中心温度就可以加至一亿度甚至更高。

EAST辅助加热系统

加热的问题解决以后，科学家们又发现了新的问题，那就是，随着加热功率的增加，能量约束的时间反而会减小，这显然对于努力提高聚变三乘积的科学家们是个非常大的打击。科学家们把这种模式称为低约束运行模式（简称：L-mode）。如果按照L-mode的能量约束时间去设计聚变反应堆，就会导致聚变堆的装置规模变得非常大，这无论是装置实现难度还是装置建造造价都是非常大的挑战。幸运的是，科学家们经过实验探索，发现了性能更好的“高约束运行模式”。1982年，在ASDEX托卡马克装置的实验中，德国物理学家Friedrich Wagner意外发现了一种模式，在这种模式下，高功率加热的能量约束时间差不多是L-mode的两倍。这个重要的发现对于可控核聚变研究来说无疑是一件非常重要的事情，它将大大降低核聚变反应堆的规模和造价，科学家们将这种模式命名为：高约束运行模式（简称：H-mode）。下图展示了两种运行模式的区别，在相同的加热功率下，H-mode的等离子体密度和极向比压的垂直分量会上升到L-mode的大约2倍。这表明，H-mode下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。所以，目前国际上已经将H-mode的能量约束时间作为设计反应堆的基础。

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（图片来源：《Tokamaks》）

如何实现高约束运行模式？

要想实现H-mode，有一个必要条件就是需要将辅助加热的功率增加至某个值，这个值我们称之为阈值功率。这个阈值功率的大小是和核聚变装置的大小参数、运行状态以及聚变原料气体的参数和品质密切相关的。首先，实现H-mode对聚变原料气体的纯净度要求极高，也就是说里面不能含有太多的杂质（所有不是聚变原料的物质都视为杂质）。在东方超环EAST装置中，有一整套非常完善的真空系统以及壁处理系统，这些系统可以对真空室的器壁进行长时间的清洗，同时，EAST装置上先进的等离子体控制技术，也可以最大限度地减少等离子体与真空室器壁和其他实物组件的相互作用，从而最大限度地减少杂质，保持聚变原料气体的纯净。

EAST真空与壁处理系统

其次，在同等条件下实现H-mode的阈值功率，会随着等离子体密度的增加呈现先减小后增大的趋势，这就意味着存在一个最合适的密度值，在这个密度下，实现H-mode所需要的辅助加热功率最小，这对于实现可重复的长脉冲稳态H-mode非常重要。因此，在东方超环EAST装置本轮实验中，科研人员通过理论分析与实验研究相结合的方法，寻找到了最佳参数范围，同时通过对等离子体密度的良好控制能力，从而为实现H-mode奠定了非常好的基础。

EAST实现世界上最长时间可重复的高约束模等离子体运行，实现了高密度（ne/nGW~0.7）高自举电流(fBS>50%)的完全非感应等离子体；实现了电子加热主导（Te(0)~9.0keV）的具有内部输运垒的能量约束增强因子H98~1.35；在ITER基准运行时间尺度解决了钨偏滤器运行的粒子（R~0.92）与热平衡(TSuf@Div<600℃)关键物理和技术问题；实现了全程小幅度边界局域模（ELMs），有效兼容芯部高性能(βp~2.5/βN~1.5)及射频波高功率耦合。

此外，东方超环EAST装置辅助加热系统的长时间运行能力、电磁测量系统优良的测量能力以及先进的等离子体控制能力、先进的等离子体诊断技术，都为成功实现H-mode提供了坚强保证。综上可见，东方超环EAST装置这次实现可重复的403秒稳态H-mode，绝非偶然，它有力地证实了东方超环EAST装置的先进性以及科研团队的综合实力。

403秒稳态高约束运行模式的意义

由于H-mode约束性能更好，可以大大提升聚变三乘积，因此通过实现H-mode，可以在更小的聚变堆装置上，用更少的资金完成核聚变能的开发，这将大大减少“人造太阳”装置的规模和成本。在国际热核实验堆（ITER）装置上，最初是按照L-mode来设计的，设计结果显示预算需要100亿美元。后来ITER按照H-Mode重新进行了设计，结果显示预算降到了50亿欧元。新的ITER设计包括了原ITER计划开始后十几年的的新物理和新技术（特别是偏滤器位形下H-mode运行），装置规模大大减小，所以预算差不多减少了一半。目前ITER装置还未建造成功，所以此次在EAST装置成功实现可重复的403秒稳态高约束运行模式等离子体，对于全世界聚变研究进展都是一个极为重要的里程碑，它进一步验证了未来聚变实验堆高约束模式稳态运行的可行性。同时，也对探索未来聚变堆前沿物理问题，提升核聚变能源经济性、高效性，加快实现聚变能应用具有重要意义。

EAST装置主机鸟瞰

近年来，在国家发改委、科技部、中科院、基金委等项目资助下，以及安徽省、合肥市、合肥综合性国家科学中心等部门的大力支持下，EAST装置性能不断提升，装置运行区间不断扩展，取得了多项国际托卡马克运行的重大标志性成果。EAST大科学团队秉承“甘于奉献，团结协作，锐意进取，争创一流”的大科学文化精神，把EAST装置打造成国际上最重要的最先进的磁约束核聚变研究平台。EAST装置取得的系列重大创新成果，为国际热核聚变实验堆ITER运行和我国自主建设运行聚变堆提供了重要的实验基础。

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