去年新一代人造太阳“中国环流三号”取得重大科研进展，首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新我国磁约束聚变装置运行纪录，突破了等离子体大电流高约束模式运行控制、高功率加热系统注入耦合、先进偏滤器位形控制等关键技术难题，是我国核聚变能开发进程中的重要里程碑，标志着我国磁约束核聚变研究向高性能聚变等离子体运行迈出重要一步。今天我们就来简单的了解下什么是高约束模式（H模）？
早期发展
早期的托卡马克装置依赖于等离子体内部电流产生的欧姆加热来提升温度，但这种方法存在局限性。理论和实验结果表明，仅依靠欧姆加热无法实现聚变所需的点火条件，即聚变反应产生的能量与加热等离子体消耗的能量相等。因此，科学家们开始探索非欧姆加热方法，如射频波或高能中性原子束注入，以提供额外的能量。
在欧姆加热期间，等离子体的能量约束时间随着电流的增加而延长，显示出正比关系。然而，当引入辅助加热时，等离子体的能量约束时间却出乎意料地随着加热功率的增加而缩短，这使得实现受控热核聚变的难度增加。这种在辅助加热下表现出来的约束模式，被称为低约束运行模式（L模）。
高约束运行模式（H模）
为了克服L模的挑战，磁约束聚变界进行了大量的研究，直到1982年，德国物理学家F. Wagner在ASDEX托卡马克上发现了高约束运行模式（H模）。H模的发现是一次重大突破，它具有比L模更长的能量约束时间，并且约束时间的缩短率显著降低，这意味着在相同的辅助加热功率下，H模能够维持更长时间的高温等离子体状态。
H模的发现直接影响了国际热核实验反应堆（ITER）的设计和建造。如果ITER采用L模，将需要更大的装置规模和更高的成本。而采用H模后，装置规模和成本都得到了显著降低，使得项目得以顺利推进。
面临挑战
尽管磁约束聚变等离子体研究已经积累了大量的实验数据和观测资料，但对这些数据背后深层次物理机理的探索仍然不足。特别是从低约束模式（L模）向高约束模式（H模）的转换，类似于非线性力学中的分叉现象，这一转换过程具有明显的自组织特征，但其具体条件、机制和对等离子体参数的依赖性尚未有定量理论描述。
在ASDEX的实验中，首次实现了高约束运行模式，此后各国科学家通过实验、理论和数值模拟对其进行了深入研究。研究发现，L模向H模转换时，等离子体边缘的密度和温度分布会迅速变陡，形成边缘输运垒（ETB），这是H模的一个关键特征。
在托卡马克等离子体中，带电粒子的扩散过程受到多种因素的影响，包括磁场的不均匀性和粒子的漂移运动，这些因素共同作用导致了微观不稳定性的发展。经过数十年的研究，学术界普遍认为，磁约束聚变等离子体中的输运主要由湍流主导，而非传统的两体碰撞。
在L模向H模转换过程中，等离子体中出现的剪切流对湍流有抑制作用，有助于减小湍性输运，促进ETB的形成。然而，剪切流的具体产生机制仍有不同理论解释，需要进一步的实验验证。
在H模下，等离子体的约束性能得到全面改善，高能粒子数量增加，聚变概率相应提高。但同时，边缘局域模（ELMs）可能引起大量粒子和能量的损失，对真空室壁造成损伤，因此，ELMs的驱动机制和控制技术是H模的重要研究点。
ITER项目的高约束运行模式
在ITER项目中，高约束运行模式（H模式）被认为是未来聚变堆稳态运行的一个基本模式。H模式的主要挑战之一是边缘局域模（ELMs）引起的问题，这些ELMs会导致等离子体边缘区温度和密度的周期性崩塌，释放的强脉冲热流可能对偏滤器造成热负荷过载，甚至导致材料损伤和大破裂（Major Disruption）。ITER项目的数值估算显示，ELM爆发所释放的热流强度可能高达100MW/m²，而目前已知的偏滤器材料能承受的最大热负荷仅为10MW/m²，这表明了实现H模式在ITER项目中的重要性和紧迫性。
近年来的研究发现，在某些条件下H模式可以进入一种几乎无ELMs崩塌的状态，称为Quiescent H-mode（QH模式）。QH模式为解决偏滤器热负荷过载问题提供了一种可能的解决方案，对于ITER项目来说，理解QH模式的形成机制是实现其聚变堆稳态运行的关键。
北京大学物理学院的研究者们通过深入分析边缘区等离子体湍流性质，提出了涡旋波耦合理论，这一理论有助于理解ELM-H模式与QH模式的相互转化过程，对未来聚变堆的物理设计和实验研究具有重要的指导意义。这项研究工作已经发表在《物理评论快报》上，展示了中国在磁约束等离子体物理研究领域的贡献，并为ITER项目提供了重要的科学支持。