中国环流三号实现1亿度等离子体运行

位于成都的中国环流三号（HL-3）托卡马克装置——中国最大、最先进的磁约束托卡马克装置——首次将等离子体加热至超过1亿摄氏度。其等离子体中的离子温度超过了1亿摄氏度（10.1 keV），能量约束效率接近启动热核聚变反应堆所需的水平。

这些数值是在一种特殊运行模式下实现的，该模式下等离子体内部的离子加热程度是电子的两倍。即使当等离子体进入较平静的状态（所谓的L模式），温度仍保持在9.4 keV，这显示了系统的稳定性。

这一进展得益于等离子体加热和约束系统的改进。HL-3使用了中性粒子束注入（NBI）系统，该系统通过加速原子束飞入等离子体并传递能量。在实验中，功率高达5兆瓦的束流将物质加热至创纪录的温度。

同时，工程师们采用了一种特殊配置——磁场线位移——这有助于稳定等离子体并使其维持更长时间。在这种磁场内，会形成热损失急剧减小的区域，这些区域被称为输运壁垒。HL-3成功同时创建了内部和外部两个输运壁垒，从而能够比通常情况更长时间地约束能量。

该托卡马克本身具有改进的几何形状：其内部的等离子体不仅是环形的，而且是拉长的且略呈三角形。这种形状提高了稳定性，并允许在相同磁场下存储更多能量。为控制参数，科学家们使用了电荷交换光谱法来测量离子的速度和温度，以及汤姆逊散射法。后者是一种将激光射入等离子体，并根据散射光确定电子温度和密度的方法。

HL-3的后续实验将解决两个关键挑战：如何有效排出多余热量以及如何在长期运行期间防止不稳定性。为此，计划测试新型偏滤器——这些特殊的磁位形将等离子体引向反应堆的冷却壁，以保护其部件。其中包括“雪花”和“三脚架”构型，这些构型在其他托卡马克中已显示出良好效果。

2024年11月，HL-3启动了新一轮物理实验，首次集成了由中国核工业集团公司（CNNC）开发的数字孪生系统。该装置运行的一个关键方面是真空室的“烘烤”过程，数字孪生系统在此过程中充当“超级眼睛”。它在虚拟空间中创建一个与物理实体完全相同的数字模型，从而能够对真空室烘烤过程进行实时精确监控。