中国HL-3托卡马克实现10 keV高离子温度与0.69×1020keV·s/m3聚变三重积突破

《The Innovation》：Breakthrough in China’s fusion energy: HL-3 tokamak achieves high ion temperature and fusion triple product

本刊推荐：针对可控核聚变中离子温度与能量约束的瓶颈问题，HL-3团队通过热离子模式实现等离子体性能突破。实验获得离子温度Ti达10.1 keV（超1亿摄氏度），聚变三重积niTiτE达0.69×1020keV·s/m3，双输运垒形成机制为ITER提供关键数据。

　　

在能源危机与碳排放的双重压力下，可控核聚变一直被喻为清洁能源的"圣杯"。其原理是通过模拟太阳内部的核反应，使氘氚原子核在高温高压下发生融合，释放巨大能量。然而要实现这一过程，必须让等离子体达到上亿摄氏度的离子温度，并维持足够长的能量约束时间。长期以来，如何同时实现高温与稳定约束成为国际聚变研究的核心挑战。

中国HL-3托卡马克（一种环形容器装置）作为国家磁约束聚变研究的关键平台，近期在热离子模式（hot ion mode）研究中取得突破性进展。该成果发表于《The Innovation》期刊，展示了离子温度突破10 keV（约1.16亿摄氏度）且聚变三重积（n_iT_iτ_E，衡量聚变性能的关键指标）超越0.65×10²⁰keV·s/m3的重要成果，标志着我国在实现聚变点火条件的道路上迈出关键一步。

关键技术方法包括：（1）升级磁体电源系统使环向磁场B_t达2.0 T，形成大拉长比（k≥1.6）与三角变形（δ≥0.5）的等离子体；（2）部署总功率超5 MW的中性束注入系统（NBI），最高实现34 A/78 kV束流参数；（3）采用电荷交换复合光谱（CXRS）与汤姆逊散射（TS）诊断技术，分别以1.5 cm径向分辨率和60空间通道监测离子温度与电子参数。

【Main text】

实验通过兆安级电流爬升构建弱磁剪切位形，结合NBI加热产生强流剪切。在13243号放电中，3.5 MW NBI功率注入使等离子体进入热离子H模（t=955–1153 ms），核心区离子温度T_i(0)与电子温度T_e(0)比值大于2，形成双输运垒（DTBs）：内部输运垒（ITB）与边缘输运垒（ETB）协同作用。此阶段测得T_i=10.1 keV，三重积达0.69×10²⁰keV·s/m3。

【Technological innovations】

创新技术支撑突破：增强磁约束系统通过提高等离子体电流至1.22 MA，显著提升储能能力；NBI系统通过优化束流参数实现高效加热；多诊断集成使CXRS精准测量离子温度分布，TS系统同步捕获电子密度剖面，为物理机制分析提供全维度数据。

【Record-breaking performance】

热离子H模期间（图1B），等离子体在安全因子q_min≈1的弱磁剪切状态下维持高性能。当发生H-L转换（t=1153 ms）后，仅靠ITB仍保持T_i=9.4 keV、三重积0.67×10²⁰keV·s/m3。剖面数据显示（图1C-D），ITB的形成与弱磁剪切、流剪切及快离子效应密切相关。

【Challenges and future work】

当前需解决偏滤器功率负载与高性能下的等离子体破裂控制问题。未来计划将三重积提升至10²¹keV·s/m3量级，测试雪花状、三足点等先进偏滤器构型，并开发不稳定性控制装置。

该研究首次在国内实现聚变三重积突破0.65×10²⁰keV·s/m3的里程碑，验证热离子模式在实现高效聚变中的可行性。双输运垒的发现为ITER（国际热核实验堆）提供了关键物理依据，推动磁约束聚变向点火条件迈进。HL-3的成功彰显我国在聚变能源领域的创新实力，为碳中和目标下清洁能源开发奠定关键技术基础。