在托卡馬克核聚變實驗裝置中,高約束等離子體的邊界區(qū)域會周期性地爆發(fā)出一種稱為邊界局域模(ELM)的不穩(wěn)定性。大幅度ELM類似太陽耀斑爆發(fā),造成等離子體能量和粒子的瞬間釋放,噴射出強大的熱脈沖,侵蝕裝置的內(nèi)壁,甚至導(dǎo)致材料的熔化,并產(chǎn)生大量雜質(zhì)粒子污染聚變堆芯部等離子體,使得聚變堆難以長時間穩(wěn)態(tài)運行。在未來聚變堆上,需要將ELM帶來的瞬態(tài)熱負荷降低至少20倍,這是國際磁約束聚變界,特別是國際熱核聚變實驗堆ITER面臨的一個嚴峻挑戰(zhàn),探索無ELM或具有小幅度ELM的高約束運行模式及其物理機制是磁約束聚變研究的一個重大科學(xué)前沿問題。
近日,EAST超導(dǎo)托卡馬克團隊在前期成功探索、實現(xiàn)了雜草型小幅度邊界局域模(Grassy ELM)運行的基礎(chǔ)上,揭示了Grassy ELM產(chǎn)生的物理機制,進而利用這種自發(fā)的高頻小幅度Grassy ELM,發(fā)展出了一種高性能穩(wěn)態(tài)等離子體運行模式,并系統(tǒng)驗證了其與未來聚變堆若干運行條件的兼容性。相關(guān)研究成果于6月26日在線發(fā)表在國際權(quán)威物理期刊Physical Review Letters上。
Grassy ELM是一種特殊的自發(fā)高頻小幅度ELM,它帶來的瞬態(tài)熱負荷通常低于常規(guī)大幅度ELM的1/20。具有Grassy ELM的高約束運行模式適用于聚變堆臺基低碰撞率條件,并且其較高的邊界安全因子降低了等離子體發(fā)生大破裂的風(fēng)險,因此這種運行模式被國際聚變界認為在未來強磁場穩(wěn)態(tài)聚變堆上具有很好的應(yīng)用前景。類似Grassy ELM的運行模式在國際其它托卡馬克上也曾被觀察到過,但其機理和獲得條件不清楚,在國際一些主流托卡馬克上一直難以穩(wěn)定地獲得這種運行模式。在未來聚變堆上,能否穩(wěn)定可靠地獲得這種運行模式,是國際聚變界亟待回答的問題。
EAST團隊負責(zé)人萬寶年研究員、課題組長徐國盛研究員帶領(lǐng)科研人員針對Grassy ELM運行模式這一前沿課題組織了攻關(guān),在與未來聚變堆類似的金屬壁、低旋轉(zhuǎn)、電子主導(dǎo)加熱等物理條件下,穩(wěn)定重復(fù)地實現(xiàn)了Grassy ELM高性能穩(wěn)態(tài)運行[B. N. Wan et al., Nuclear Fusion 59, 112003 (2019); G. S. Xu et al., 27th IAEA-FEC, 2018 India, EX/P2-4],確認了獲得這一模式的物理條件,并將這一模式的部分歸一化參數(shù)擴展到了未來聚變堆的區(qū)間。在實驗中發(fā)現(xiàn)較高的刮削層密度和較寬的邊界臺基是Grassy ELM運行模式形成的關(guān)鍵因素,首次揭示出臺基分布演化過程中剝離氣球模不穩(wěn)定性邊界的移動是Grassy ELM形成的內(nèi)在動力學(xué)機制。并通過實驗驗證了它與輻射偏濾器、高密度、高自舉電流份額、完全非感應(yīng)驅(qū)動等未來穩(wěn)態(tài)聚變堆特需條件的兼容性。此外,實驗發(fā)現(xiàn)它對雜質(zhì)具有很強的排出能力,特別適合實現(xiàn)高性能等離子體的長時間穩(wěn)態(tài)運行。這一運行模式為解決聚變堆瞬態(tài)熱負荷瓶頸問題,實現(xiàn)聚變堆的穩(wěn)態(tài)運行提供了一種潛在的新方案。中國正在開展1GW聚變功率的中國聚變工程實驗堆CFETR的集成工程設(shè)計,這種運行模式的等離子體部分歸一化參數(shù)與CFETR的設(shè)計參數(shù)接近,可以應(yīng)用于未來CFETR的穩(wěn)態(tài)運行。
EAST裝置是我國自主設(shè)計建造的,世界上第一個非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置。自2010年獲得高約束等離子體以來,EAST團隊一直致力于為聚變堆的高約束穩(wěn)態(tài)運行提供解決方案,在過去的9年時間里,EAST裝置不斷打破高約束等離子體運行時間的世界記錄,率先在國際上突破百秒量級高約束穩(wěn)態(tài)運行[B. N. Wan et al., Nuclear Fusion 57, 102019 (2017); B. N. Wan et al., Nuclear Fusion 59, 112003 (2019)]。
EAST接下來的目標(biāo)是在更高的注入功率下,在ITER基本運行模式的時間尺度上實現(xiàn)高約束等離子體穩(wěn)態(tài)運行。高功率注入條件下的ELM瞬態(tài)熱負荷問題成為阻礙這一科學(xué)目標(biāo)實現(xiàn)的主要障礙,Grassy ELM高性能穩(wěn)態(tài)運行模式的獲得及其形成機理上的突破為EAST實現(xiàn)更高功率更長時間尺度上的運行提供了有效的解決方案,進而為ITER和CFETR高性能Grassy ELM穩(wěn)態(tài)運行模式的發(fā)展奠定了物理基礎(chǔ)。
EAST團隊取得的這一研究成果得益于等離子體所長期以來秉承的大科學(xué)團隊精神以及與國內(nèi)外開展的良好合作。相關(guān)研究工作得到了國家科技部、發(fā)改委、中科院、國家基金委等項目的資助,以及安徽省、合肥市、合肥綜合性國家科學(xué)中心等相關(guān)部門的大力支持。
相關(guān)文章鏈接:
PRL 2019:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.255001
NF 2019:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ab0396
IAEA-FEC 2018:https://conferences.iaea.org/indico/event/151/contributions/5682/
NF 2017:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/aa7861
圖1. EAST上伴隨Grassy ELM的高性能穩(wěn)態(tài)行模式的實驗演示
圖2. BOUT++程序非線性模擬對比研究了常規(guī)大幅度ELM與Grassy ELM的臺基動力學(xué)特征,揭示出臺基分布演化過程中剝離氣球模不穩(wěn)定性邊界的移動是Grassy ELM形成的內(nèi)在動力學(xué)機制。