中國造的「人造太陽」創下世界記錄，核聚變離我們越來越近了

最新 07-06

知乎用戶，ITER，一起造太陽

剛看到李建剛院士的一段話，複製過來：

距離 CFETR 的要求差距較大，主要是總功率，聚變三重積差的太多，這樣對材料的輻照損傷弱的多。但在物理上意義比較大，在環電壓為零(穩態)的情況下，熱流、粒子流、約束、位型等都得到穩定控制，特別是鎢偏濾器壁溫在 20 秒以後達到穩定，保持不變，這些都是未來 ITER 和 CFETR 要面臨的問題。重要的是未來不是 100 秒，是想多長就多長，這個還是比較困難。最重要的是控制粒子於材料的相互作用。

前天晚上剛出的試驗結果，這個問題來得很及時。

圖片來自高翔老師，試驗參數見上圖最後。

本次試驗最大的特點，是實現了穩定的 101.2 秒穩態長脈衝高約束等離子體運行，在目前現有運行的大型托卡馬克裝置上，這是第一次，也是世界紀錄。

問題中提到的去年 102 秒放電，並不是 H 模，我記得當初的實驗目的是為了實現高電子溫度，使中心電子溫度超過了五千萬度。

另外，放電時間和能量約束時間是兩個不同的概念，不能混淆。如果單獨說放電時間，等離子體所曾經實現了 400 秒的放電。

這涉及到了幾個問題：

1. 什麼是高約束運行模式？

有高約束模式自然就有低約束模式，「高」與「低」是約束能力上的相對而言。

無論是「高」還是「低」，外部的輔助加熱功率越大，等離子體的能量約束時間都是越短的。但是，高約束模式的衰減率比低約束模式小得多，這個比值用 H 表示，稱為改進因子。也就是說在外部相同的輔助加熱功率條件下，則高約束模式下的能量約束時間是低約束模式下的 H 倍。

在這次試驗中，約束改善因子 H98y2 大於 1.1，高於 ITER 的基準運行模式的 H98=1。

2. 為什麼要達到高約束運行模式？

像剛才所說，等離子體的能量約束時間是隨外部輔助加熱功率的增加而縮短的，加熱功率越大，等離子體能量損失反而越快。打個比方，就像往一個有漏洞的水缸倒水，倒得越快反而漏的更多，最終的結果就是池子里的水反而變少了。

所以簡單來說，在高約束運行模式下，等離子體約束變好了，而且從等離子體損失到第一壁的粒子數減少，從而減少了雜質和能量損失。

而它對於聚變堆來說有更大的意義，因為這可以大幅度降低聚變裝置的規模和造價。

在此引用董家齊老師的報告內容：

如果（ITER）採用低約束運行模式，即根據低約束模式的能量約束時間定標設計，則裝置規模將十分龐大，預計耗資約為 100 億美元，參加各方政府都難以接受。後來採用高約束運行模式，即根據高約束模式的能量約束時間定標設計，再加上其他修改，裝置規模大大減小，建造費用也降到 50 億歐元，很快為各方政府所接受。

降低難度還省錢，對科學家們來說這簡直就是天大的好事。

首次發現高約束運行模式的德國物理學家 F. Wagner 也因此在 2007 年獲得了由歐洲物理學會等離子體物理分會頒發的阿爾芬獎。

3. 為什麼這次試驗能達到 101 秒？

由於這次的試驗結果還剛剛出來，相關論文要幾個月後可能才能見刊，具體細節要到時候才知道。但根據以往的一些文獻和報告，還是能推測一些。

2016 年四月，我在北大聽了萬元熙院士的報告，內容之一便是 EAST 的長脈衝 H 模運行。其中有幾個要點：

完全的非感應電流驅動（穩態、環電壓為零）；

利用低雜波、電子迴旋和離子迴旋三套加熱系統之間的有效耦合，實現純射頻波加熱的高約束模加熱模式；

在分鐘量級驗證 EAST 裝置上 ITER-like 水冷鎢偏濾器的運行能力，為 ITER 鎢偏濾器運行提供了重要參考；

等離子體能量約束增強因子 H98 達到 1.1；

實現全程無大幅度邊界局域模（ELMs），有效控制了偏濾器靶板的峰值熱流和鎢雜質返流；

實現等離子體運行的軟著陸。

今天等離子體所新發的新聞稿也都提到了這幾點，相信大的技術路線並沒有改變。