研究發現Grassy ELM高性能穩態運行模式形成機理

近日，中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所EAST超導托卡馬克團隊在前期成功探索、實現了雜草型小幅度邊界局域模（Grassy ELM）運行的基礎上，揭示了Grassy ELM產生的物理機制，進而利用這種自發的高頻小幅度Grassy ELM，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。相關研究成果於6月26日在線發表在國際期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

在托卡馬克核聚變實驗裝置中，高約束等離子體的邊界區域會周期性地爆發出一種稱為邊界局域模（ELM）的不穩定性。大幅度ELM類似太陽耀斑爆發，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。在未來聚變堆上，需要將ELM帶來的瞬態熱負荷降低至少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，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前沿問題。

前期，研究團隊成功實現了雜草型小幅度邊界局域模（Grassy ELM）運行。Grassy ELM是一種特殊的自發高頻小幅度邊界局域模，它帶來的瞬態熱負荷通常低於常規大幅度邊界局域模的1/20。具有Grassy ELM的高約束運行模式適用於聚變堆台基低碰撞率條件，並且其較高的邊界安全因子降低了等離子體發生大破裂的風險，因此這種運行模式被國際聚變界認為在未來強磁場穩態聚變堆上具有很好的應用前景。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定地獲得這種運行模式。在未來聚變堆上，能否穩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團隊負責人、研究員萬寶年，以及課題組長、研究員徐國盛帶領科研人員針對Grassy ELM運行模式這一前沿課題組織了攻關，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，穩定重複地實現了Grassy ELM高性能穩態運行，確認了獲得這一模式的物理條件，並將這一模式的部分歸一化參數擴展到了未來聚變堆的區間。在實驗中發現較高的刮削層密度和較寬的邊界台基是Grassy ELM運行模式形成的關鍵因素，首次揭示出台基分布演化過程中剝離氣球模不穩定性邊界的移動是Grassy ELM形成的內在動力學機制。研究人員還通過實驗驗證了它與輻射偏濾器、高密度、高自舉電流份額、完全非感應驅動等未來穩態聚變堆特需條件的兼容性。此外，實驗發現它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。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。中國正在開展1GW聚變功率的中國聚變工程實驗堆（簡稱CFETR）的集成工程設計，這種運行模式的等離子體部分歸一化參數與CFETR的設計參數接近，可以應用於未來CFETR的穩態運行。

EAST裝置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，EAST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，EAST裝置不斷打破高約束等離子體運行時間的世界紀錄，率先在國際上突破百秒量級高約束穩態運行。

EAST接下來的目標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高約束等離子體穩態運行。高功率注入條件下的ELM瞬態熱負荷問題成為阻礙這一科學目標實現的主要障礙，Grassy ELM高性能穩態運行模式的獲得及其形成機理上的突破為EAST實現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穩態運行模式的發展奠定了物理基礎。

相關研究工作得到國家科技部、發改委、中科院、國家基金委等的資助，以及安徽省、合肥市、合肥綜合性國家科學中心等的大力支持。

圖2. BOUT 程序非線性模擬對比研究了常規大幅度ELM與Grassy ELM的台基動力學特徵，揭示出台基分布演化過程中剝離氣球模不穩定性邊界的移動是Grassy ELM形成的內在動力學機制。

來源：中國科學院合肥物質科學研究院

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