科學家獲得一種高性能穩態等離子體運行模式

太陽耀斑是一種劇烈的太陽活動現象，可對人類的航天、通信、導航等帶來諸多影響。其實，在地球上也存在著一種「太陽耀斑」，它給人類製造麻煩的本領，可一點不亞於天上的那個大火球。

在有著「人造太陽」之稱的托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）中，高約束等離子體的邊界區域會周期性地表現出一種不穩定性，叫做邊界局域模（ELM）。大幅度的ELM類似於太陽耀斑，它的爆發會造成等離子體能量和粒子的瞬間釋放，噴射出強大的熱脈衝，侵蝕裝置的內壁，甚至導致材料的熔化，併產生大量雜質粒子污染聚變堆芯部等離子體，使得聚變堆難以長時間穩態運行。

「未來，聚變堆想要穩定運行，就需要將ELM帶來的瞬態熱負荷降低至少20倍。」EAST團隊負責人、中國科學院合肥物質科學研究院研究員萬寶年說，「因此，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，不但是一個重大科學前沿問題，也是我們面臨的一個嚴峻挑戰。」

近日，中科院合肥物質院等離子體物理研究所EAST團隊在前期研究的基礎上，發展出了一種高性能穩態等離子體運行模式，並系統驗證了其與未來聚變堆若干運行條件的兼容性。相關成果日前在線發表於《物理評論快報》。

這種模式叫做雜草型小幅度邊界局域模，它帶來的瞬態熱負荷通常低於常規大幅度ELM的1/20，被國際聚變界認為是未來強磁場穩態聚變堆的「明日之星」。

然而，雖然這種「雜草」模式在國際其他托卡馬克上也曾被觀察到過，但其機理和獲得條件一直沒有搞清楚，科學家難以穩定地獲得這種運行模式。

針對這一難題，萬寶年、等離子體所研究員徐國盛等人帶領科研人員進行了攻關，在與未來聚變堆類似的金屬壁、低旋轉、電子主導加熱等物理條件下，穩定地重複實現了這種「雜草」模式的高性能穩態運行，從而確認了獲得這一模式的物理條件。

「我們發現，較高的刮削層密度和較寬的邊界台基是這一運動模式形成的關鍵因素。」徐國盛說。他們還通過實驗驗證了它與諸多未來穩態聚變堆特需條件的兼容性。

值得一提的是，該實驗還發現這種模式對雜質具有很強的排出能力，特別適合實現高性能等離子體的長時間穩態運行。因此，這一運行模式為解決聚變堆瞬態熱負荷瓶頸問題、實現聚變堆的穩態運行提供了一種潛在的新方案。

EAST是我國自主設計建造的、世界上第一個非圓截面全超導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，該團隊一直致力於為聚變堆的高約束穩態運行提供解決方案，在過去的9年時間裡，該裝置不斷打破高約束等離子體運行時間的世界紀錄，率先在國際上實現突破百秒量級的高約束穩態運行。

（來源：PRL 萬寶年等）

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