nnica大型螺旋装置（LHD）
大型螺旋装置（LHD：Large Helical Device）是由位于岐阜县土岐市的核融合科学研究所（NIFS：National Institute for Fusion Science）运营的世界最大级螺旋型聚变实验装置。自 1998 年产生第一个等离子体以来，它一直引领着用扭曲磁场约束等离子体这一方式的研究。本页将先从直觉上把握 LHD 是一台怎样的装置，然后依次介绍它的物理与工程，以及在 2020 年代所承担的新角色。
一句话概括这台装置（高中水平）
Section titled “一句话概括这台装置（高中水平）”要引发聚变，就需要把温度超过 1 亿度、比太阳中心还要炽热的等离子体（原子核与电子分离开的气体）悬浮在空中约束住，使其不接触容器的壁。等离子体是带电粒子的集合，因此可以用磁铁的力（磁场）来抓住它。
LHD 采用的是被称为仿星器螺旋（heliotron）的方式，即制造出一个由扭曲磁场构成的笼子。在甜甜圈形（环面）的容器周围，缠绕两条呈螺旋状扭曲的线圈。只要给这两条线圈通电，约束等离子体所需的扭曲磁场就会自然形成。
这正是 LHD 最容易理解的优势所在。另一种代表性方式托卡马克（tokamak）是让等离子体自身流过很大的电流来制造磁场的扭曲。而 LHD 的仿星器螺旋方式仅靠外侧的线圈就能完成磁场，因此无需在等离子体内部通电流。不依赖等离子体电流，意味着从原理上不容易发生电流突然消失、约束被破坏的事故（破裂，disruption），而且更容易长时间持续运行，这是一个巨大的优点。这种“能够始终稳定持续运行”的性质就是稳态能力（steady-state capability），也是 LHD 最擅长的方面。
装置的物理与工程（本科～研究生水平）
Section titled “装置的物理与工程（本科～研究生水平）”仿星器螺旋位形与磁场的制造方法
Section titled “仿星器螺旋位形与磁场的制造方法”LHD 采用 L=2、M=10 的仿星器螺旋位形。L 是极数，表示一条螺旋线圈绕环面截面转一圈的过程中螺旋扭转多少次；M 是线圈绕环面一圈中的螺距数（field period）。凭借这一位形，两条连续的螺旋线圈绕环面转 10 圈，仅靠外部线圈就制造出约束等离子体所需的旋转变换（rotational transform）。
主要参数为：大半径约 3.9 m（磁轴位置可变），平均小半径约 0.6 m，最大磁场为 3 T。通过极向线圈把磁轴位置向内侧或外侧移动，就可以在重视约束性能的位形与确保较大等离子体体积的位形之间切换。
表示约束好坏的代表性指标是能量约束时间（energy confinement time） 。它被定义为储存的等离子体能量 除以加热功率 的量，即
越长，就意味着用同样的加热越容易保持高温。螺旋系的约束时间可用装置尺寸、磁场、密度、加热功率等构成的国际经验规律（标度律）来整理，而 LHD 为这些经验规律提供了大量的基础数据。
超导线圈这一工程
Section titled “超导线圈这一工程”LHD 的心脏是超导螺旋线圈。导体使用 NbTi/Cu 系超导材料，冷却到液氦温度（约 4 K，接近绝对零度的低温），使电阻变为零。由于电阻为零，一旦通电，线圈就不会发热，能够长时间持续维持强磁场。这种由超导带来的稳态磁场，正是 LHD 擅长长时间运行的工程基础。
在等离子体加热方面，可以组合多种方式，投入超过 20 MW 的大功率。中性束注入（NBI：Neutral Beam Injection）是把高速中性原子射入等离子体进行加热的主力方式。此外，电子回旋加热（ECH：Electron Cyclotron Heating）用微波加热电子，离子回旋加热（ICRF：Ion Cyclotron Range of Frequency）用射频波直接加热离子。
稳态运行这一成就
Section titled “稳态运行这一成就”LHD 的代表性成果之一是长时间的稳态放电。它发挥不依赖等离子体电流、而用超导线圈保持磁场的优点，在数十分钟量级的时间内维持等离子体，并且在这期间投入的加热能量总量上也展现出很高的成绩。要让聚变作为发电得以成立，不能只是脉冲式地一瞬间燃烧，而必须长时间稳定地持续燃烧。螺旋系特有的稳态性，为这一课题给出了一个具体的答案。
高温的实现与氘实验
Section titled “高温的实现与氘实验”2017 年，LHD 迈入使用氘（deuterium，氢的同位素）的实验，离子温度达到了约 1 亿 2000 万度（约 10 keV）。之所以用能量单位来表示温度，是因为在等离子体物理中把 当作 （ 为玻尔兹曼常数）来处理，1 keV 约相当于 1160 万度。这一高温的实现，是表明即便是仿星器螺旋位形也能实现聚变所需的超高温等离子体的重要结果。
氘实验还有另一个物理上的目的。就是可以通过与氢等离子体的比较，系统地研究构成等离子体的粒子质量（同位素）改变时约束性能如何变化，即同位素效应（isotope effect）。理解这一效应，对于预测实际聚变堆所使用的氘与氚混合等离子体的性能是不可或缺的。
研究前沿（博士水平）
Section titled “研究前沿（博士水平）”LHD 所发挥的一大作用，是通过实验揭示三维磁场位形（3D magnetic configuration）的物理。相对于托卡马克的磁场近似地轴对称，螺旋系的磁场本质上具有三维结构。这一差异直接关系到粒子和热如何逃出装置之外的输运（transport）问题。尤其在碰撞频率较低的区域，会呈现出对磁场三维结构敏感的、被称为新经典输运（neoclassical transport）的输运。LHD 详细测量了这种新经典输运、径向电场（radial electric field）的自发形成、湍流引起的反常输运（anomalous transport）等，为验证仿星器／仿星器螺旋系的输运理论奠定了基础。
在论文中常常遇到的关键词包括：新经典输运（neoclassical transport）、径向电场（radial electric field）、自举电流（bootstrap current）、国际仿星器标度（International Stellarator Scaling），以及处理高密度区域的超高密度芯等。这些已成为理解螺旋系等离子体约束的共同语言。
进入 2020 年代，研究的定位也在发生变化。LHD 经过氘实验，正从追求单一装置刷新纪录的阶段，把重心转向作为学术研究平台、广泛分享在螺旋系中获得的三维等离子体知识的角色。这里积累的三维位形物理，正被应用于以德国的 Wendelstein 7-X 为代表的世界各国仿星器研究，以及未来的聚变堆设计。尚未解决的课题也依然存在，例如如何在螺旋系中稳定地保持高等离子体压力（高比压），以及如何优化芯部与壁之间热和粒子的控制，目前仍在被活跃地研究着。