The Innovation | HL-3装置离子温度和聚变三乘积创造了国家纪录

HL-3装置在兆安级电流等离子体中基于热离子运行模式（Ti(0)/Te(0)>1），实现了离子温度Ti=10 keV（超过1亿度），聚变三乘积达到了1020量级（0.65×1020keV·s/m³），创造了接近反应堆相关条件的国家纪录，这为我国下一步开展燃烧等离子体实验奠定了前期基础。

导

读

受控热核聚变是清洁能源领域的“圣杯”，能提供几乎无限的能源且对环境的影响很小。氘氚聚变反应取决于等离子体离子温度，获取高离子温度和高聚变三乘积是实现聚变点火的必要条件，也是获取聚变能的关键步骤。

图1 HL-3装置上实现高离子温度与高聚变三重积的放电实验 (#13243)。(a) 在 t = 1115 ms 时刻的等离子体极向磁通面。该时刻的等离子体参数为：等离子体电流 Ip = 1.22 MA，环向磁场 Bt = 1.94 T，拉长比 κ = 1.66，三角形变 δ = 0.38，大半径/小半径 R/a = 178 cm / 60.4 cm。(b) 等离子体参数随时间演化曲线。其参数包括：等离子体电流 (Ip)、线平均电子密度 (ne)、等离子体储存能 (WE)、中性束注入加热功率 (PNBI1和 PNBI2)、偏滤器中的 Dα 信号强度 (IDα)、芯部离子温度与电子温度 (Ti 和 Te)、芯部电子密度 (ne) 以及聚变三乘积 (niTiτE)。(c-d) 热离子H模和L模期间, 汤姆逊散射（TS）和电荷交换复合光谱（CXRS）诊断测量得到的电子温度（Te）、电子密度（ne）、离子温度（Ti）的径向剖面，以及EFIT方法重建的安全因子（q）径向剖面。

HL-3的实验成功源于工程解决方案。这些包括：

升级电源系统实现了环向磁场的增强（Bt=2.0 T），产生了高形变的等离子体，拉长比（κ≥1.6）和强三角形变（δ≥0.5），进而增加等离子体电流和储能。

部署了高功率中性束注入（NBI）系统，注入加热功率达5 MW，其离子源成功实现34 A/78 kV和40 A/46 kV的束流和加速电压。

实施了全面诊断和数据集成。基于径向分辨率为1.5 cm三光栅光谱仪电荷交换复合光谱（CXRS）用于测量离子温度和环向旋转；60个空间通道的汤姆逊散射（TS）诊断能够精确测量电子密度和温度剖面。

性能表现

离子温度超过1亿摄氏度，如图1(b-d)所示。这是通过优化的加热系统（包括NBI和欧姆加热）实现的。该结果超越了此前由HL-2A、EAST和中国其他领先托卡马克创造的国内纪录。

聚变三乘积大于0.65×1020keV•s/m3，如图1(b)所示。三乘积衡量了反应堆约束能量的效率。高离子温度和高聚变三乘积是在HL-3氘等离子体（第13243炮）中通过热离子场景（Ti(0)/Te(0)>2）实现的。放电过程中，等离子体电流上升，并注入3.5 MW的NBI功率。在热离子H模期间（t=955-1153 ms），离子温度Ti和聚变三重积(niTiτE)分别达到10.1 keV和0.69×1020keV•s/m3。这些实验结果的实现得益于双输运垒（DTBs）的形成，即一个强内部输运垒（ITB）与一个弱边界输运垒（ETB）的结合。在t=1153 ms时，发生了H-L转换。尽管芯部离子温度略有下降，但等离子体约束未出现显著恶化。在热离子L模期间（t=1153-1380 ms），Ti和niTiτE的峰值分别达到9.4 keV和0.67×1020keV•s/m3，仅由强ITB维持。在热离子H模和L模期间，磁剪切始终保持较弱（qmin∼1）。初步分析表明，弱磁剪切、流剪切以及快离子效应可能对ITB的形成起到了关键作用。

总结与展望

HL-3托卡马克在离子温度和聚变三乘积方面近期取得的成果，标志着中国聚变研究计划的重大进步。这些成果不仅设定了新的国家基准，也为全球聚变研究做出了贡献。HL-3未来实验将聚焦于：提升辅助加热系统的功率和耦合效率，将niTiτE推近到1021keV•s/m3；测试先进偏滤器（如雪花式和三足式）以解决粒子和热量排除问题；开发等离子体不稳定性的外部鲁棒控制器；以及理解复杂现象背后的物理机制。HL-3装置成功运行为中国未来的聚变能源发展提供了重要的技术支持，并展示了国家在这一关键能源研究领域日益增长的能力。随着HL-3不断突破等离子体参数边界，其创新将有助于实现聚变能源的承诺——为21世纪提供清洁、可持续的能源。

责任编辑

田志红   河南大学

苟倩志   西安建筑科技大学