中国「人造太阳」装置（HL-2M）再获突破性进展，突破 ...

近日，中核集团核工业西南物理研究院科研团队再传佳绩，中国“人造太阳”（HL一2M）科学研究取得突破性进展，HL-2M 等离子体电流突破 100 万安培，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，跻身国际第一方阵，技术水平居国际前列。

国家的持续发展，我国能源自给率不足的问题日益突出。为了社会经济的长期可持续发展，我们必须尽快用可靠的非化石能源（如核裂变或核聚变能、太阳能、风能、水能等）来取代大部分煤或石油的消耗。
两个氢原子核聚合反应放出核聚变能是太阳等所有恒星释放光和热及氢弹的能源。人类已经能控制和利用核裂变能，但由于很难将两个带正电核的轻原子核靠近从而产生聚变反应，控制和利用核聚变能则需要历经长期的、非常艰苦的研发历程。
目前突破百万安放电，表明利用可控的核聚变能又迈进了一步。
氘氚核聚变反应也可以释放巨大能量。氘在海水中储量极为丰富。聚变能是无污染、无长寿命放射性核废料、资源无限的理想能源。如果受控热核聚变能的大规模实现，将从根本上解决人类社会的能源问题。

首先这里的百万安放电，并不是指像发电厂那样发出的可以直接拿来用的电流，它是指托卡马克约束装置里等离子体的电流强度。
等离子体就是在这个真空腔体里面由一堆电子原子核组成，高温状态下电子和原子核的分开，经过装置的约束绕着磁场旋转形成电流。




   这里点火的意思是指让核聚变自动进行，不再需要外界输入能量，核聚变自身产生的能量足够维持核聚变条件。好比生火，得先点燃引燃物，然后引燃物成功将木材引燃。现在所做的一切都是为了让引燃物烧的越久，产生的能量越多，才能更快的将木材点燃，让木材燃烧持续下去。
等离子电流强度就跟这个点火有关系，提高等离子体电流强度，就会更快达到核聚变自反应状态，也就是可以更快点着火。等离子体电流强度提高就类似将引燃物的火苗变得更大，更快的引燃木材，原理大概如下:
    等离子体的温度、压力和约束时间（维持温度和等离子状态的时间）这三个参数相乘得到聚变三重积（之前在新闻见到过的两个参数 一亿温度一千多秒），这个数值需要达到10的21次方才能使核聚变反应在不需要输入能量的情况下自动进行，目前离这个数值越来越近了。
为了提高等离子体的温度和约束时间。科学家们通过建造更大的托卡马克装置来实现。这个装置有三个参数:大半径 小半径  磁场强度。大半径就是等离子体所形成环的半径，小半径就是等离子体环的粗细，类似用一根导线围成一个圈，这个圈的半径就是大半径，而导线的粗细为小半径。这三个参数决定了装置里面等离子体的电流强度，小半径又和等离子体电流强度决定了等离子体的密度极限，密度越大等离子体内的压力越大，这么多参数又一起决定了能量约束时间。等离子体电流强度越大，实现核反应点火所需要的的约束时间和温度就会越低，也就是越容易点火。
托卡马克装置就是一堆线圈，通电产生强大的磁场约束高温的等离子体，导线都是有电阻的，强大的磁场需要强大的电流，所以这个装置的线圈发热量也是巨大的。为了降低降低能量损耗，使装置的效率更高，就会使用超导材料，降低发热，超导材料又需要绝对零度的条件。为了创造这个条件要消耗大量的电力。加上给等离子体升温上亿度，也要消耗大量能量。所以使核聚变自动进行的条件是十分苛刻的。
   要想进行真正的能量输出，还要提高托卡马克的能量输出功率，因为要启动核聚变反应，首先要输入巨大的能量让等离子体升高到一定的温度，达到核聚变的反应条件。如果核聚变产生的能量还没输入的能量多，成了赔本生意，那么这一切就没有意义。科学家用产生能量和消耗能量的比值 Q值来衡量托卡马克装置的效率，为了实现核聚变的点火Q值越高越好。Q值越高说明产出的能量越多，
装置中等离子体温度越高，压力（密度）越大，约束时间越长核聚变反应越强烈，持续时间越长，产生的能量也越多，离点火条件越接近，装置的效率也越高。由于还有转化效率的限制，要想真正应用到现实，必须将Q值提高到很高水平，将成本降低到和普通发电水平Q值需要达到30，而目前尚在建造的全球最大托卡马克装置设计Q值才为10，并且还不知道啥时候能建好。
    目前我们只是实现了对等离子体的约束，但还没有真正进行核聚变的点火，现在所做的一切都是为了建造真正可以点火的装置。而等到点火核聚变反应自动进行，仍然有许许多多的问题等着我们去解决。比方说由于中子辐照第一壁的问题。核聚变反应释放出能量巨大的中子，这些中子不带电所以不受约束，直接撞击到装置最里面的一层，由于中子直接就可以把原子撞开，金属结构就会被破坏，核聚变自持反应的时候对材料的持久度要求更高，目前这样的实验还必须等到点火之后进行。

核电行业员工表示不明觉厉，恭喜西物院！
愿合肥和成都两台托克马克装置继续你追我赶，不断获得新突破！

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

10月19日，中国新一代“人造太阳”装置（HL—2M）等离子体电流突破100万安培，创造了我国可控核聚变装置运行新纪录，标志着我国核聚变研发迈出重要一步，技术水平居国际前列。
等离子体电流强度是托卡马克核聚变装置的核心参数，等离子体电流超过100万安培是其实现聚变能源的必要条件。
此次等离子体电流能力全新的突破，意味着该装置未来可以在超过100万安培的等离子体电流下常规运行，开展前沿科学研究，对我国未来深度参与国际热核聚变堆实验及自主设计运行聚变堆具有重要意义。
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。