1982年，德國物理學(xué)家Friedrich Wagner意外發(fā)現(xiàn)高約束運行模式（H-mode）——在高功率加熱下的能量約束時間基本上是低約束態(tài)的2倍。2017年，中國實現(xiàn)101秒穩(wěn)態(tài)H-mode等離子體，創(chuàng)下H-mode運行最長時間記錄。時隔7年，中國“人造太陽”EAST于2023年4月成功實現(xiàn)403秒穩(wěn)態(tài)H-mode等離子體，再創(chuàng)H-mode運行最長時間新記錄。

解析H-mode等離子體

H-mode（高約束運行模式）等離子體，是可控核聚變研究的關(guān)鍵要點。鑒于核聚變反應(yīng)需要將氘氚原子核壓縮到很小尺度的核力范圍內(nèi)，而這種情況的實現(xiàn)需要以高達1億攝氏度左右的溫度為條件，對此，以EAST為代表的托卡馬克裝置利用環(huán)形螺旋磁場對高溫等離子體進行約束，借以實現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)。

托卡馬克等離子體的平衡位形需要由環(huán)向感應(yīng)電流來維持，而早期的托卡馬克裝置主要靠歐姆加熱約束運行模式。但單純依靠歐姆加熱不可能達到聚變點火條件，所以，還需要進一步提高等離子體能量——可以利用高能中性粒子束和射頻波來進行輔助加熱，其加熱總功率一般為歐姆加熱功率的數(shù)倍以上。

在高約束運行模式下，隨著輔助加熱功率注入，等離子體的密度和儲能隨時間增加，氫（氘）α線輻射信號減小。同時，在等離子體邊界處，其密度和溫度梯度呈現(xiàn)較陡的臺階形結(jié)構(gòu)，并伴隨邊界處α線輻射信號出現(xiàn)很強尖峰震蕩。

這些H-mode的顯著特點表明，從等離子體損失到器壁上的粒子數(shù)和功率減少，從而使得等離子體約束性能變好。

EAST運行團隊的硬核實力

H-mode形成的一個必要條件是輔助加熱功率必須大于閾值功率。這個閾值功率與裝置的參數(shù)和運行狀態(tài)，以及等離子體參數(shù)和品質(zhì)密切相關(guān)。

首先，H-mode的實現(xiàn)對等離子體中的雜質(zhì)（即非氫物質(zhì)）控制提出很高的要求。EAST完善的真空系統(tǒng)和壁處理技術(shù)為此提供了保障。

其次，在同一實驗條件下，等離子體存在著一個最佳密度，在此密度下實現(xiàn)H-mode所需輔助加熱功率最小，這對于長脈沖穩(wěn)態(tài)H-mode的實現(xiàn)至關(guān)重要。對此，EAST運行組通過理論分析與實驗研究相結(jié)合，在安全范圍內(nèi)尋找到最佳參數(shù)范圍及裝置運行能力。

此外，EAST輔助加熱系統(tǒng)的長脈沖運行能力、精確電磁測量和等離子體控制、先進等離子體診斷等諸多技術(shù)，為403秒穩(wěn)態(tài)H-mode等離子體的實現(xiàn)提供了堅強保障。這也充分體現(xiàn)出EAST運行團隊的綜合水平和高效能力。

EAST裝置403秒H-mode等離子體的實現(xiàn)，將為在更長時間尺度上開展H-mode背后深層次的物理機理研究、H-mode下高能粒子對等離子體約束性能的影響研究、邊界局域模的緩解和控制、以及相關(guān)理論模型的驗證和發(fā)展，提供必要條件。同時，隨著高約束穩(wěn)態(tài)運行的探索及相關(guān)科學(xué)問題的有效解決，將進一步加快聚變能的開發(fā)進程，早日實現(xiàn)由核聚變能點亮的第一盞燈。