近日,等離子體所孫有文研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)葉民友教授團(tuán)隊(duì)在三維物理研究中取得重要進(jìn)展。通過施加僅占平衡磁場0.1%的小幅度共磁擾動(dòng)(RMP),首次實(shí)現(xiàn)了一種兼具內(nèi)部輸運(yùn)壘(ITB)和邊界局域模(ELM)抑制的新等離子體約束模式。該成果以"New Tokamak Plasma Confinement Regime Realized by Utilizing Small Magnetic Perturbations in the EAST Tokamak"為題發(fā)表于物理能源權(quán)威期刊《PRX Energy》。論文第一作者為等離子體所博士后盛回,通訊作者為孫有文研究員和葉民友教授。
兼具堆芯ITB和邊界輸運(yùn)壘(ETB)的高約束模式是未來磁約束托卡馬克聚變堆的理想運(yùn)行模式,但這一模式需要同時(shí)解決多個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。在等離子體芯部,ITB難以產(chǎn)生、維持和控制,特別是在未來鎢壁裝置中,還需要有效控制鎢雜質(zhì)聚芯。在等離子體邊界,ETB雖然能夠穩(wěn)定產(chǎn)生,但通常伴隨著ELM的爆發(fā),會(huì)對第一壁材料造成嚴(yán)重?fù)p傷,因此未來聚變裝置必須實(shí)現(xiàn)有效的ELM控制。RMP作為一種有效的ELM控制手段,在過去的研究中往往需要以犧牲部分約束性能為代價(jià)。
針對這些難題,研究團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化RMP譜型和模數(shù),成功將磁擾動(dòng)局域在邊界區(qū)域,在EAST上不僅實(shí)現(xiàn)了ELM抑制和雜質(zhì)控制,還首次發(fā)現(xiàn)RMP能夠觸發(fā)和維持ITB,有效彌補(bǔ)了RMP對約束的負(fù)面作用。通過深入研究,團(tuán)隊(duì)揭示了RMP觸發(fā)ITB形成的復(fù)雜物理過程,該過程涉及RMP與鎢雜質(zhì)、等離子體旋轉(zhuǎn)、電流剖面等多參數(shù)的多尺度非線性相互作用。
相較于傳統(tǒng)方法,RMP觸發(fā)ITB不依賴于等離子體的初始狀態(tài),且功率閾值降低了一倍以上。進(jìn)一步研究表明,RMP不僅能可以有效且穩(wěn)定地維持ITB,還可以通過調(diào)節(jié)譜型、模數(shù)等參數(shù)實(shí)現(xiàn)對ITB行為的主動(dòng)控制。目前利用該方法,已在EAST上較寬的密度和邊界安全因子區(qū)間實(shí)現(xiàn)了ITB的有效控制。這一突破不僅為RMP研究開辟了新方向,也為未來ITB的控制和研究提供了全新的方法。
以上工作得益于EAST大科學(xué)裝置團(tuán)隊(duì)成員間的緊密協(xié)作,相關(guān)研究成果對于未來聚變堆高參數(shù)條件下芯部和邊界兼容控制具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。該研究受到國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)B、安徽省自然科學(xué)基金、合肥物質(zhì)科學(xué)研究院院長基金等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接:https://link.aps.org/doi/10.1103/jtrr-p41y?

圖1.利用RMP實(shí)現(xiàn)ELM抑制和ITB觸發(fā)

圖2.RMP觸發(fā)ITB形成的復(fù)雜物理過程

圖3.RMP對ITB的主動(dòng)控制