日前,EAST裝置物理實驗證實托卡馬克密度自由區(qū)的存在,為核聚變裝置高密度運行提供了重要的物理依據(jù)。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進展》上。
托卡馬克裝置是一種利用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形裝置,猶如一個螺旋形“磁跑道”,鎖住高溫等離子體,達到核聚變目的。等離子體密度是托卡馬克性能的關(guān)鍵參數(shù)之一,直接影響聚變反應(yīng)速率。過去,科研人員發(fā)現(xiàn),等離子體密度存在一個極限,一旦達到極限,等離子體就會破裂并逃脫磁場約束,巨大能量釋放到裝置內(nèi)壁,影響安全運行。國際聚變界通過長期研究發(fā)現(xiàn),觸發(fā)密度極限的物理過程發(fā)生于等離子體和裝置內(nèi)壁的邊界區(qū)域,但對其中的物理機制并不十分清楚。
團隊發(fā)展了邊界等離子體與壁相互作用自組織(PWSO)理論模型,發(fā)現(xiàn)邊界輻射在密度極限觸發(fā)中的關(guān)鍵作用,揭示了密度極限的觸發(fā)機理。依托EAST全金屬壁運行環(huán)境,利用電子回旋共振加熱和預(yù)充氣協(xié)同啟動等方法降低邊界雜質(zhì)濺射,主動延遲了密度極限和等離子體破裂的發(fā)生。通過調(diào)控靶板的物理條件,降低了靶板鎢雜質(zhì)主導(dǎo)的物理濺射,控制等離子體突破了密度極限,引導(dǎo)等離子體進入新的密度自由區(qū)。實驗結(jié)果與PWSO理論預(yù)測高度吻合,首次證實了托卡馬克密度自由區(qū)的存在。這一創(chuàng)新性工作為密度極限的理解提供了重要線索,并為托卡馬克高密度運行提供了重要的物理依據(jù)。
該工作由等離子體物理研究所、華中科技大學(xué)、法國艾克斯-馬賽大學(xué)等單位協(xié)作完成,受到了國家磁約束聚變專項的支持。本工作順利完成得益于EAST先進的全金屬壁實驗平臺和開放合作的提案協(xié)調(diào)機制。EAST裝置近年來發(fā)展的密度、溫度、輻射、雜質(zhì)等精確診斷測量,電子回旋共振高效加熱手段等為本工作的開展提供了重要的技術(shù)支持。
論文鏈接:https://doi.org/10.1126/sciadv.adz3040? ?

Figure 1. Schematic illustration of the EAST tokamak operation during ECRH-assisted Ohmic start-up.

Figure 2. Schematic comparison of EAST experimental results with plasma–wall self-organization theory prediction.