H 模式
H 模式(H-mode,高约束模式)是指当加热强度超过一定水平后,托卡马克等离子体的边缘自发形成输运垒,约束性能骤然提升的运行状态。
通俗定义(高中水平)
Section titled “通俗定义(高中水平)”在不断加热等离子体的过程中,一旦超过某个加热强度,等离子体边缘部分就会突然切换到难以让热量和粒子逃逸的状态。这就是 H 模式。可以想象成保温瓶的隔热层自然地出现在等离子体边缘,即使是相同的加热,中心温度也能维持在高出许多的水平。它于 1982 年在德国的 ASDEX 装置上首次被发现,与此前普通状态(L 模式,低约束模式)相比,约束时间大约提升为 2 倍,因而极大地改变了聚变研究的走向。
严格定义(本科及以上)
Section titled “严格定义(本科及以上)”H 模式(H-mode,High-confinement mode)是指当加热功率超过阈值(L-H 跃迁功率)时,在等离子体最外围形成一层狭窄输运垒(edge transport barrier)的状态。在该垒内侧,温度和密度陡峭上升所形成的台地状结构被称为基座(pedestal)。人们认为,该垒是通过等离子体边缘产生的径向电场 的剪切(shear)撕裂湍流涡旋、抑制湍流输运而得以维持的。基座的高度会整体抬高芯部温度,因此成为决定约束性能的重要指标。另一方面,当基座部分的压力梯度和电流过大时,边缘会产生周期性的不稳定性。
在聚变研究中的作用
Section titled “在聚变研究中的作用”H 模式能够在相同的加热输入下实现更高的温度和密度,因此是与达成劳森条件直接相关的运行方案。以 ITER 为首的下一代托卡马克都以 H 模式作为标准运行状态进行设计。不过在 H 模式下,会周期性地发生 ELM(Edge Localized Mode,边缘局域模)这种不稳定性,它会在短时间内释放储存在基座中的能量,释放出的热量会对偏滤器造成局部损伤。如何兼顾提升约束的效果与 ELM 带来的热负荷这一权衡,是当前重要的研究课题。