中国「人造太阳」再获突破性进展，我国可控核聚变装置运行 ...

记者从中核集团获悉，10月19日，我国“人造太阳”——中国环流器二号M装置（HL-2M）科学研究再获新进展，HL-2M等离子体电流突破100万安培（1兆安），创造了我国可控核聚变装置运行新记录，标志着我国核聚变研发距离聚变点火迈进了重要一步。

说点八卦。
每个装置要经费的时候都得强调自己的特殊性，在国内和国际的装置里有一个定位。
2A和HT-7引进都很早，主要是让585和等所实际运行一个国际先进装置，积累经验，并做一些物理研究。
EAST定位是ITER位形的长脉冲放电基础上的研究。前期重要的物理研究做的差不多了之后，就会开始冲参数，像是一亿度一千秒之类。最后临退役的时候估计也有可能上氘氚。
但EAST本来就是个按长脉冲放电设计的装置，离子加热功率相对低，冲参数的空间有限（感谢评论区提醒，虽然之前几次长脉冲的时候离子温度偏低，但真想冲参数肯定也是能上去的，只是上限应该略低于2M这种非超导装置的预期参数）。所以说国内到前几年为止，是没有定位在冲参数上的装置的。
2M相当程度上就是用来填补这个空白的，不过现阶段经费不大够。等设备都上齐了，它的参数除放电时间以外，应该都会比EAST高，至少也是和它同量级的，大可以期待一阵。

可控核聚变看似近在咫尺，其实还隔了几座大山

基本知识（摘自《大辞海》）

“可控核聚变　一定条件下，控制核聚变的速度和规模，以实现安全、持续、平稳的能量输出的核聚变反应。有激光约束核聚变、磁约束核聚变等形式。具有原料充足、经济性能优异、安全可靠、无环境污染等优势。因技术难度极高，尚处于实验阶段。”（下图来自百度）



“惯性约束聚变　高温等离子体产生以后，依靠其自身的惯性，在膨胀飞散之前设法维持一个极短时间的核聚变反应。如氢弹。对于受控的惯性约束聚变，探索的方向是利用大功率的激光束或带电粒子束会聚到球形氘氚靶丸上，使其加热、压缩并产生热核反应释放出能量。是实现可控核聚变的途径之一。”（下图来自百度）


“磁约束聚变　用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限体积内，使其受控发生的大量原子核聚变反应。是当前开发聚变能最有希望的途径，也是等离子体物理学的一项重大应用。”（下图来自百度）


“激光约束聚变　惯性约束聚变的一种方式。用激光束作为驱动器照射核燃料使之发生核聚变反应。多束高能量的激光脉冲同时从各个方向照射到重水和超重水的小冰丸上，冰丸表面物质急骤吸热蒸发产生巨大压力将冰丸内部物质向中心挤压，中心物质的温度可达1亿开，高温和高密度引发核聚变反应，产生氦和高能量（1吉电子伏）的中子。这是可控热核反应的一种可能方案。”（下图来自百度）


核聚变应用

目前中国、日本等很多国家，都报道自己的可控核聚变研究的进展，比如产生的能量大于消耗的。
很多人觉得可控核聚变离实用化很近了，其实很多时候科技界有时也有点自夸了。
他们常说产生多少能量，而对耗费掉的避而不谈，更不提能量转换效率等等，另外即便是产生能量，也只能维持很短一段时间，因而根本没法实用。
实际上，在可控核聚变的研究中科学家确实往前走，虽然速度有点慢。
目前核聚变有一个大问题是实验远远领先于理论。这在物理学上是非常古怪。我们很多科学技术的发展都是理论先行，比如爱因斯坦先想出来著名的“上帝粒子” —— 希格斯玻色子，然后别人再观测验证。
现在的核聚变装置托卡马克的理论计算存在非常大的困难。因为磁场和等离子体的轮廓都是不规则的形状，而物理性质又对形状特别敏感，导致目前人脑没法直接理论计算，目前是采用数值模拟。
但是在数值模拟中，存在小尺度等问题，难以完全模拟托卡马克。
理论的缺失会导致技术的后续改进/完善会非常难，也就是说它的实用化时间会更长。
另外核聚变实用化还有一个拦路虎：成本。除了设备昂贵之外，原材料也贵，就拿固态重氢或者超重氢举个例子，因为要求零件圆度非常小，一个直径两毫米的靶球的加工成本就高达百万美元。

随着倒计时归零，大屏幕上一阵强光闪过，数据分析小组传来了好消息：我国新一代“人造太阳”托卡马克装置（HL-2M）等离子体电流突破100万安培（1兆安），创造了我国可控核聚变装置运行新纪录！


中核集团核工业西南物理研究院聚变科学所副所长（主持工作）、HL-2M实验负责人钟武律20日在接受科技日报记者专访时表示，此次突破标志着我国核聚变研发向着聚变点火迈进重要一步。
衡量核聚变装置及核聚变研究水平有三个参数：燃料的离子温度、等离子体密度和能量约束时间。只有三个参数的乘积超过特定数值，才能够实现真正的核聚变。而等离子体电流的大小将显著影响三个参数中的等离子体密度和能量约束时间。
“我们的托卡马克装置其实就是在一个大型真空容器里面注满气体，然后把气体电离变成等离子体，再用强磁场把带电粒子控制住，让它在真空容器里面悬浮起来。”钟武律说，要让未来的托卡马克聚变堆运行，等离子体电流必须超过1兆安


HL-2M作为我国先进磁约束核聚变实验研究装置，是我国目前规模最大、参数能力最高的托卡马克装置，其等离子体电流能力可达2.5兆安以上，等离子体离子温度可达1.5亿摄氏度，能够实现高密度、高比压、高自举电流运行。
未来HL-2M将继续有条不紊开展后续实验工作，冲击更高的等离子体电流和离子温度等参数，全面提升核聚变三参数，实现我国“人造太阳”研究新的飞跃。
来源：科技日报
链接：晒科网

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HL-2M的等离子体体积达到国内现有装置2倍以上，等离子体电流能力提高到2.5兆安培以上，等离子体离子温度可达到1.5亿度，能实现高密度、高比压、高自举电流运行。[1]

这次是实现了1MA（100万安培）的等离子体电流，为实现高温度、高密度以及高比压提供了基础，也有助于实现高的能量约束时间，提高聚变三乘积。
高比压：等离子体电流可以产生一个极向的磁场，极向磁场作用在等离子体上面，是一个向内的力，可以约束更高的热压，有助于实现高比压。



等离子体电流产生的磁场对自身的作用力

离子温度：根据其他托卡马克装置的经验，芯部离子温度到几亿度一般都是在1MA及以上电流下实现的，HL-2M离实现1.5亿度不远了。



国际H模数据库中芯部离子温度与等离子体电流分布[2]

能量约束时间：ITPA20能量约束时间定标律中[2]，能量约束时间与电流的近一次方（0.98）成正比，高电流下有利于实现高的能量约束时间。

密度：GreenWald密度极限[3]是指等离子体能够实现的最高密度，是等离子体电流与截面面积的比值，电流越高，密度极限越高。


期待HL-2M实现更多的突破性进展！

参考资料：
[1]: 我国新一代“人造太阳”首次放电-新华网
[2]: The updated ITPA global H-mode confinement database: description and analysis
[3]: A new look at density limits in tokamaks

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