中核新一代人造太阳「中国环流三号」首次实现 100 万安培等离子体电流高约束模运行，有什么重要意义？

8月25日下午，新一代人造太阳“中国环流三号”取得重大科研进展，首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新我国磁约束聚变装置运行纪录，突破了等离子体大电流高约束模式运行控制、高功率加热系统注入耦合、先进偏滤器位形控制等关键技术难题，是我国核聚变能开发进程中的重要里程碑，标志着我国磁约束核聚变研究向高性能聚变等离子体运行迈出重要一步。
重大突破！我国掌握可控核聚变高约束先进控制技术

中国的核聚变装置，其实世界各国的核聚变装置都差不多，感觉现在还是在研究等离子流体动力学的。就是让那个托克马克装置里面那一坨等离子体的东西在磁场下转起来。
这东西大概三个参数，温度，粒子浓度，运行时间。
我们国家的风格一般是把粒子数弄低，把温度和维持时间做上去，所以经常可以看到长时间运行的报道。日本一般是粒子数和温度弄上去，但是运行时间短一点。
这次看上去是要提粒子浓度了，也就是说前两个参数已经做了不少实验了，现在第三个参数上也摸一点数据。
如果以化工项目的进展来看大概就是这样:
你要生产一个化工产品，工厂现在没盖，蒸汽，水，电都没有，因为流程没搞定。
流程里换热器，精馏塔，泵都没做因为反应器还没搞定做个锤子附属设备。
反应器材质不好选，也还没选，因为中试还没做。
中试没做的原因是因为小试还在开发阶段。
小试进展到什么程度了呢，反正现在还没怎么投料。先往玻璃瓶里放点水，试试搅拌怎么样。
搅拌有三个参数，转速，温度和搅拌时间，这三个参数还没定下来。
现在的进度是，之前研究了温度和搅拌时间的影响，现在开始变化一下转速做点实验看看。
现在进度不到10%吧。
讲真现在可控核聚变在50年内都热不起来，现在有光伏，有钍堆对可控核聚变需求不紧迫。
不过现在炒一炒是可以的，而且我估计，按照网络上炒第四次工业革命的节奏来看，星链，AI，超导炒完了，也该轮到可控核聚变了。
你自己不炒，老外可就不客气了。

这个问题的热度之低，有点难以置信。
这玩意的价值远超前段时间热议的常温超导，更是把马斯克的商用火箭按在地上摩擦。

• 常温超导体是否存在是一种未知数，就算存在，还要考虑生产成本。
  
• 商用火箭只是成本问题，技术上根本不值一提。
  
• 只有可控核聚变才是真正颠覆世界格局，真正划时代的东西。
  

大家知道可控核聚变突破意味着什么吗？

• 意味着如果没有超大科技变革，如果没有爆发式能源需求，人类从此就进入无限能源时代。
  

这是太空时代的前置科技，人类从此将进入黄金时代，整个世界的格局会被彻底颠覆。

• 可控核聚变的发电材料是氢和氘，氢到处都是，便宜的跟不要钱一样，氘在海水里也到处都是，成本大约是浓缩铀的1/40，大批量提取成本更低。
  
• 有人算过，可控核聚变的发电成本只有火电的千分之一。
  

最早提出可控核聚变技术的是前苏联，人类很早就已经意识到常温超导的意义，各国都砸钱去研究。
但凡有点科技实力的国家，都在搞可控核聚变的研究。目前全世界现有的可控核聚变装置分别是：

• ITER：35 个国家参与
  
• 中国：全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）
  
• 中国：可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”（HL—2M）
  
• 美国：美国国家点火计划(NLF)装置
  
• 德国：德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所可控核聚变装置“螺旋石7－X”
  
• 英国：牛津郡Culham的名为MAST Upgrade的可控核聚变装置
  
• 日本：JT-60托卡马克装置是日本原子能研究所
  
• 俄罗斯：俄罗斯实验物理科研所UFL-2M
  

中国的可控核聚变技术进展毫无疑问是世界第一，而是是碾压式的优势。

美国是世界第二
法国和日本并列世界第三
俄罗斯世界第四
英国位列世界第五
韩国世界第六
印度世界第七
巴基斯坦世界第八
朝鲜世界第九
以色列世界第十

1MA等离子体电流下的高约束模运行确实是国内首次了，期待实现更高的参数。
高约束运行模式是相对低约束运行模式而言的。早期托卡马克只有欧姆加热，但欧姆加热需要等离子体有电阻，等离子体温度升高后电阻降低，会限制欧姆加热的效率。为实现更高的参数而开发了多种辅助加热手段，虽然还成为辅助加热，但加热功率早已超过欧姆加热的功率。辅助加热投入后约束并没有升高，约束反而降低了，直到ASDEX上NBI功率超过1.9MW之后实现了高约束模式。



左边低约束模，右边高约束模，虚线是进入H模的时刻

100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新我国磁约束聚变装置运行纪录，突破了等离子体大电流高约束模式运行控制、高功率加热系统注入耦合、先进偏滤器位形控制等关键技术难题

等离子体大电流高约束模式运行控制：需要1MA等离子体电流平台。
高功率加热系统注入耦合：H模的实现需要功率达到一定的阈值，并且能够与等离子体耦合用于加热等离子体。
先进偏滤器位形控制：高功率高约束模式下，流出刮削层与达到偏滤器上的功率会增大，给偏滤器带来较大的压力。

除了1MA的等离子体电流与H模之外，还没有看到加热功率、温度、密度、能量约束时间等参数。

参考资料：
Regime of Improved Confinement and High Beta in Neutral-Beam-Heated Divertor Discharges of the ASDEX Tokamak
重大突破！我国掌握可控核聚变高约束先进控制技术

上周五正好在585参加中核集团和知乎组织的科普行。座谈会上刘院长正好也提及了高参数的目标，没想到这么快就有了新突破，恭喜585的聚变同行。
从装置运行角度来看，这标志着国内装置也能开展高参数等离子体运行，是里程碑式的。
我尝试为大家浅浅的解读一下，仅仅是个人技术层面的理解：
（一）100万安培等离子体电流下的高约束模式运行
1 大等离子体电流运行
核聚变研究中著名的“劳森判据”，即当核聚变反应的能量产出率大于能量损耗率，并且有足够能量使核聚变反应稳定持续时，通常意味着核聚变点火成功。也就是说，衡量核聚变装置及核聚变研究的水平，主要看三个参数：燃料的离子温度、等离子体密度和能量约束时间。
更好记忆的就是所谓的聚变三重积：密度、温度、约束时间的乘积需要大于一个值后，就将意味着聚变反应可以维持进行，不需要外部能量输入，实现自持燃烧，也称为聚变反应点火。为了便于理解，以氘氚反应为例，对应的最低温度为
因而，这个温度下的最小三重积为：




目前各大装置三重积能力

具体到中国环流三号的这次实验成果，”100万安培等离子体电流“，磁约束核聚变装置中，三重积中的等离子体密度和能量约束时间恰恰与等离子体电流成正比，这个是很好理解的，等离子体俗称”电浆“，顾名思义。此外，聚变堆的聚变功率与等离子体电流的平方成正比，等离子体电流若提升10倍，聚变功率便可提升100倍。
2 高约束模运行（H模）
磁约束核聚变实现自持燃烧的关键在于提高燃烧等离子体的聚变反应效率，在托卡马克和仿星器装置中，实验发现当等离子体加热功率超过一定阈值后，等离子体可从低约束模 (L模)转换至高约束模 (H模)，即，在托卡马克等离子体边缘处形成自组织的、非常高的压强（温度、密度）梯度（被称为边缘输运垒——edge transport barrier，ETB），使得“主体等离子体”（core plasma）的温度、密度成倍增加，等离子体能量约束大大改善。H模能大幅提高等离子体的约束性能，芯部压强的升高可提高燃烧等离子体的聚变反应效率。
H模自从 1982年在 ASDEX托卡马克上实现以来， 其不仅先后在众多托卡马克装置上不同条件下得到，也在仿星器上被实现。由于等离子体约束的大幅提高，较平坦的中心电子密度分布可避免杂质和氦灰聚芯，对电流分布无特殊要求等特点，H模被选择为未来 ITER的 主要运行模式。值得一提的是，基于H-模的ITER设计，预计经费比原来基于L-模的设计大约减少一半。



具有偏滤器位型的托卡马克等离子体截面和等离子体低约束模、高约束模和边缘局域模爆发后的台基压强分布示意图

（二）等离子体大电流高约束模式运行控制、高功率加热系统注入耦合、先进偏滤器位形控制
目前的聚变研究，功率相对来说还是比较低的。如果我们想证明甚至实现具有Q>1的核聚变，需要在更好的加热功率条件下，来验证延长等离子体存在时间的科学可行性。



目前国际核聚变能达到的能量情况

以上，欢迎讨论。另外，最近NIF又实现了Q>1点火，会尽快写出来，放专栏吧。
【参考文献】
1 钟武律, 段旭如. 托卡马克高约束模边缘等离子体不稳定性研究[J]. 原子核物理评论, 2020, 37(3):462-469. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC05
2 王晓钢(博客). 简说H-模. 科学网-简说H-模 - 王晓钢的博文

首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新我国磁约束聚变装置运行纪录，突破了等离子体大电流高约束模式运行控制、高功率加热系统注入耦合、先进偏滤器位形控制等关键技术难题，

这是我国核聚变能开发进程中的重要里程碑，标志着我国磁约束核聚变研究向高性能聚变等离子体运行迈出重要一步。


为实现聚变能源，需要提升等离子体综合参数至聚变点火条件。
磁约束核聚变中的高约束模式（H模）是一种典型的先进运行模式，被选为正在建造的国际热核聚变试验堆（ITER）的标准运行模式，能够有效提升等离子体整体约束性能，提升未来聚变堆的经济性，相较于普通的运行模式，其等离子体综合参数可提升数倍。



可控核聚变作为面向国家重大需求的前沿颠覆性技术，具有资源丰富、环境友好、固有安全等突出优势，是目前认识到的能够最终解决人类能源问题的重要途径之一，对我国经济社会发展、国防工业建设具有重要战略意义。
可控核聚变是我国核能发展“热堆—快堆—聚变堆”三步走战略体系的重要组成部分，是解决国家能源需求、助推“双碳”目标实现、促进能源新体系构建和保障国家能源安全的关键科技变量。
在实现百万安培等离子体电流高约束模式运行的基础上，新一代人造太阳“中国环流三号”团队，将进一步发展高功率加热和电流驱动、等离子体先进运行控制等核心技术，实现堆芯级等离子体运行，研究前沿聚变物理，为我国开展聚变燃烧实验、自主建造聚变堆奠定坚实基础。