热等离子体

热等离子体，重粒子与电子温度接近的热电离气体

热等离子体是指重粒子和电子的温度都很高，而且几乎相等的等离子体，其核心特征是重粒子（离子、原子核）与电子的温度均处于极高状态且达到热力

学平衡，电子温度（Te）与离子温度（Ti）的比值接近1，显著区别于低温等离子体的Te/Ti›1000特性。该物质形态广泛存在于太阳内部核聚变反应、实验

室受控核聚变装置（如托卡马克）以及核爆环境中，人工制备需要借助电弧放电、激光照射等高能量输入手段。其电子温度与离子温度可达10^6-10^8K

量级（例如太阳核心约1500万度，实验室装置可达上亿度），整体电离率超过99%，粒子密度可达10^20-10^25 cm-3 。应用领域涵盖可控核聚变能源开

发、危险废弃物无害化处理等重大科技方向。

2026年1月，中国“人造太阳”全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）的研究团队证实了托卡马克密度自由区的存在。该项成果基于边界等离子体与壁相

互作用自组织（PWSO）理论模型，解析出了辐射不稳定性边界并揭示了密度极限的触发机理 [5]。

产生方式：电弧/激光高能激发

等离子体是一种电离气体，通过向气体提供足够的能量而形成，通常含有自由和随机移动的带电粒子（如电子、离子）和未电离的中性粒子，整体呈电中

性。等离子体按照温度可分为高温等离子体和低温等离子体，其中低温等离子体又能细分为热等离子体（平衡等离子体）和冷等离子体（非平衡等离子体

）。

热等离子体是一种完全电离的气体，各粒子（电子、离子、中性粒子）均具有一致的温度，通常温度极高（如超过10000℃或10^6K量级）。当气体处于

高压状态并从外界获得大量能量时，粒子之间的相互碰撞频率大大增加，各种微粒的温度基本相同。高温等离子体广泛存在于宇宙天体（如太阳核心）及

受控核聚变研究中。

在稠密气体或较高气压下，碰撞频繁，电子温度与重粒子（离子、中性粒子）温度易于达到平衡，此时形成的等离子体称为热等离子体或平衡等离子体，

其特性符合高温等离子体的定义。而在低气压条件下，碰撞稀少，电子温度显著高于重粒子温度，此时形成的称为冷等离子体或非平衡等离子体，属于低

温等离子体范畴。

等离子体被认为是继气、液、固后的物质第四态，在宇宙中普遍存在。热等离子体的核心应用是受控核聚变。

2021年5月28日，中国全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）实现可重复的1.2亿摄氏度101秒等离子体运行。2023年4月12日，EAST成功实现403秒稳

态长脉冲高约束等离子体运行。2025年1月20日，EAST实现1亿摄氏度1066秒高约束模式等离子体运行 。2025年3月，中国环流三号首次实现原子核和电

子温度均突破1亿摄氏度 。2025年4月7日，美国国家点火装置（NIF）实现激光聚变能量增益突破。2026年2月2日，中国“洪荒70”高温超导托卡马克装置

成功实现1337秒稳态等离子体运行 。

热等离子体通常处于局部热力学平衡（LTE）状态，电子温度（Te）与离子温度（Ti）的比值接近1，显著区别于低温等离子体的Te/Ti>1000特性。其电离

度超过99%，粒子密度可达10^20-10^25 cm^-3。

典型的温度参数包括：实验室核聚变装置中的1.5亿度（约1.7×10^8K），太阳核心区域的1500万度，以及电弧等离子体炬产生的5000-20000K高温环境。

此外，作为其基本特征，热等离子体具有极高的温度（中心温度可高达2万℃）、高焓、能量集中、气氛可控等特点 。

等离子体在宏观上呈电中性，即正负电荷几乎处处相等。由于带电粒子间的作用是长程的，等离子体在运动过程中表现出明显的集体行为。按照热力学平

衡程度，等离子体可分为：完全热力学平衡态（TE，在封闭系统中）、局部热力学平衡态（LTE，如热等离子体）、部分局部热力学平衡态（PLTE）以及非

平衡等离子体（如冷等离子体，电子温度远高于重粒子温度）。要在实验室内维持等离子体状态，需要持续的能量输入以补偿通过辐射、热传导等方式损

失的能量。

热等离子体的重要应用是受控核聚变。可控核聚变利用上亿摄氏度的高温等离子体发电，磁约束聚变（如托卡马克、仿星器）和惯性约束聚变（如激光聚

变）等技术被用于约束上亿摄氏度的高温等离子体以实现持续核聚变反应。具体案例包括中国的全超导托卡马克实验装置（EAST）实现1亿摄氏度1066秒稳

态等离子体运行 [20]，中国环流三号首次实现原子核和电子温度均突破1亿摄氏度，以及国际热核聚变实验堆（ITER）和美国国家点火装置（NIF）等 。

热等离子体技术主要应用于固废和危废处理 。等离子体焚烧技术是利用等离子体炬产生的高温（中心温度可达5000～20000K），将危险废物快速分解破坏

。废物中的有机物热解为可燃性的小分子气体（如H2、CO），无机物被高温熔融后生成化学性质稳定的类玻璃体残渣。该技术具有处理彻底、无二次污染

、减容比高、反应速度快等特点，适用于医疗垃圾、石棉、焚烧飞灰、含油污泥、污染土壤等危险废物的环保处理。

热等离子体具有高温、高焓、高化学活性等特点，其功率密度和能量密度远高于燃烧。耦合绿色电力产生等离子体，促进电能向热能/化学能高效转化，可

代替燃烧实现传统工业流程低碳再造。应用领域包括高炉炼铁、水泥烧结、玻璃熔融等。

热等离子体技术作为一项前沿科技，其应用领域涵盖可控核聚变能源开发、危险废弃物无害化处理等重大科技方向，在能源、环保、工业等多个领域产生

了深远影响 。

在能源领域，热等离子体研究以实现核聚变为目的，核聚变是解决未来能源的主要选择之一。以托卡马克为代表的磁约束聚变是目前最主流的方案，如中

国的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）、中国环流三号，以及多国合作的国际热核聚变实验堆（ITER）均属于这一路线。惯性约束聚变（激光聚变

）是另一技术路线，代表装置如美国的国家点火装置（NIF）。相关研究取得了突破性进展，EAST装置实现了1亿摄氏度、1066秒稳态等离子体运行，中国

环流三号首次实现原子核和电子温度均突破1亿摄氏度。在建设托卡马克和开展等离子体物理实验研究过程中，发展了保障托卡马克运行的诊断、电源、超

导、材料等一系列高新技术，其中部分技术已实现产业化。

在环保领域，热等离子体技术为危险废物的无害化、减容和资源化回收提供了科学有效的方法。该技术利用等离子体炬产生5000～20000K高温，将医疗垃

圾、焚烧飞灰、含油污泥等危险废物快速分解破坏。等离子体焚烧技术是一种环境友好的环保新技术，具有处理彻底、二次污染小、碳排放少、减容比高

等特点。

在工业领域，热等离子体具有高温、高焓、高化学活性等特点，其能量密度远高于燃烧。耦合绿电产生等离子体，可实现电能向热能/化学能的高效转化，

应用于高炉炼铁、水泥烧结、玻璃熔融等流程，有助于推动传统工业的低碳再造和碳近零排放。

热等离子体研究以实现受控核聚变为核心目标 ，主要技术路线包括磁约束聚变与惯性约束聚变。磁约束聚变通过如托卡马克等装置利用磁场约束热等离子

体，惯性约束聚变则通过激光照射瞬间压缩并加热燃料靶丸实现。

中国全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）在2021年实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，并于2025年实现1亿摄氏度1066

秒稳态高约束模式等离子体运行，跨过了核聚变发电的重要门槛 。2025年3月，中国环流三号（HL-3）首次实现原子核和电子温度均突破1亿摄氏度，该装

置在2024年6月在国际上首次发现并实现一种先进磁场结构，近期实现150万安培等离子体电流高约束模运行，核心参数达到国际领先水平。国际热核聚变

实验堆（ITER）是多国合作的磁约束聚变实验堆计划。2026年1月，EAST团队基于边界等离子体与壁相互作用自组织（PWSO）理论模型，证实了托卡马克

密度自由区的存在，揭示了密度极限的触发机理。

当前研究聚焦于提高等离子体温度、密度和约束时间，即聚变“三乘积”，并面临等离子体位形约束、加热与电流驱动、等离子体与壁相互作用等前沿物理和

技术挑战 。如何让等离子体保持稳定状态，如何研制出能承受高能中子轰击及高热量负荷的材料，也是磁约束核聚变领域面临的科学与技术挑战。

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