Design of operational scenarios for high fusion triple product in the HL-3 tokamak

本文面向中国新一代托卡马克装置HL-3在2027–2030年开展氘氚（D-T）聚变实验的物理准备需求，系统设计了一套高聚变三乘积（Fusion triple product， n_i \cdot T_i \cdot \tau_E）运行方案。聚变三乘积是衡量磁约束等离子体性能的核心指标，其数值直接关联聚变增益因子 Q，并决定能否接近点火条件（Lawson 判据要求n_i \cdot T_i \cdot \tau_E \geq 3-5 \times 10^20 KeV \cdot s \cdot m^-3）。为实现n_i \cdot T_i \cdot \tau_E > 1 \times 10^20 KeV \cdot s \cdot m^-3 的阶段性目标，本文构建了一个多尺度、多物理耦合的集成模拟工作流：首先通过0.5D参数扫描（METIS）确定可行运行窗口；继而采用1.5D集成建模平台OMFIT获得自洽的平衡位形与剖面分布；随后利用 CLT、MARS 和 ELITE 代码评估磁流体（MHD）不稳定性；最后通过 SOLPS-ITER 模拟偏滤器热负荷以验证工程可行性。模拟结果表明，在I_p=2.0MA、B_T=2.2T、中性束注入功率P_NBI=3MW、高约束品质因子 H_ITER98,y2=1.14条件下，HL-3可实现芯部聚变三乘积1.02 \times 10^20 KeV \cdot s \cdot m^-3。该方案采用高密度（线平均密度n_bar=9.26 \times 10^19m^-3，达 Greenwald 密度极限的 61\%）、低加热功率策略，同时满足 MHD 稳定性（无内部扭曲模、撕裂模稳定、电阻壁模裕度充足）与偏滤器热负荷限制（峰值平均热负荷小于1.5 MW/m^2，远低于材料极限 7 MW/m^2）。本研究不仅为HL-3迈向高参数运行提供了可实施的物理方案，也为 ITER 及未来聚变堆的先进运行场景积累了关键技术经验。