實現(xiàn)高性能等離子體穩(wěn)態(tài)運行是未來聚變堆必須要解決的關鍵科學問題。近期，中科院合肥研究院等離子體所核聚變大科學團隊發(fā)揮體系化建制化優(yōu)勢，取得了系列原創(chuàng)性的前沿物理基礎研究成果。1月7日，國際學術期刊《科學·進展》（Science Advances）發(fā)表了核聚變大科學團隊在高能量約束先進模式等離子體運行方面取得的重要成果。

托卡馬克先進運行模式是當前磁約束核聚變研究的熱點之一。核聚變大科學團隊在托卡馬克裝置等離子體物理實驗研究中發(fā)現(xiàn)并證明了一種新的高能量約束和自組織模式，即超級I模(Super I-mode)。其特點是等離子體中心的電子內(nèi)部輸運壘和等離子體邊界的I模共存，從而大幅度提高了能量約束。該先進模式具有芯部無雜質積累，便于聚變反應生成物排出，維持平穩(wěn)溫度臺基等優(yōu)點，并實現(xiàn)了芯部高約束與無邊界密度臺基及邊界不穩(wěn)定性的兼容，使得等離子體與壁相互作用同長時間尺度上的高性能等離子體運行方面的優(yōu)勢能夠比較好地結合起來。這種無需通過外部控制來確保等離子體穩(wěn)態(tài)運行的高能量約束模式，可應用于國際熱核聚變實驗堆長脈沖運行，對于未來聚變堆運行具有重要意義。(圖1.圖2)

日前，核聚變大科學團隊還首次證明了托卡馬克等離子體中存在湍流驅動的電流成份，是保持高電子溫度穩(wěn)定運行的關鍵物理機制。借助湍流回旋動理學模擬計算證實了實驗中觀察到的湍流是電子溫度梯度模，其產(chǎn)生的剩余協(xié)強可驅動這一電流。湍流驅動的電流和壓強梯度共同驅動內(nèi)扭曲模，形成湍流-湍動電流-內(nèi)扭曲模自我調節(jié)系統(tǒng)，從而維持芯部電子溫度梯度穩(wěn)定。相關研究成果日前發(fā)表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。(圖3)

此外，核聚變大科學團隊在托卡馬克裝置中外聯(lián)合實驗中利用封閉偏濾器下的雜質注入脫靶控制，以及高極向比壓運行模式下雙輸運壘帶來的約束增強，實現(xiàn)了高比壓高參數(shù)芯部等離子體與偏濾器全脫靶狀態(tài)的有效兼容集成。結合理論模擬揭示了偏濾器脫靶、邊界輸運壘和內(nèi)部輸運壘三者之間相互作用的物理機制。脫靶引起的雙輸運壘的自組織協(xié)同作用，改善了芯部與邊界的兼容性，帶來了能量約束的凈增益。相關研究成果之前發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications)上。(圖4)

核聚變大科學團隊貫徹落實“基礎研究十條”，通過發(fā)揮建制化、多學科、大平臺的特點，結合開放共享的國際交流與合作，凝聚優(yōu)勢資源，組織開展體系化的等離子體物理實驗基礎研究。在引領核聚變前沿技術發(fā)展的基礎研究深耕探索，發(fā)現(xiàn)系列新的物理現(xiàn)象，揭示和驗證了其中的相關物理機制，特別是在高性能穩(wěn)態(tài)長脈沖等離子體運行模式方面開展的研究，為聚變堆建設和運行奠定堅實的基礎。

等離子體所核聚變大科學團隊及國內(nèi)外合作者在高能量約束先進模式、湍流驅動等離子體電流、偏濾器脫靶與高約束等離子體兼容集成等方面取得的系列重要成果，得益于與中國科學技術大學、法國原子能委員會、美國通用原子能公司、麻省理工學院、普林斯頓大學、加州大學洛杉磯分校、橡樹嶺聯(lián)合大學、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室等國內(nèi)外核聚變研究機構開展的密切交流與合作。

相關工作得到中科院、科技部、基金委等單位及項目的資助，以及安徽省、合肥市、合肥綜合性國家科學中心的大力支持。

圖1.長脈沖放電

0.33MA等離子體電流IP和平均密度(A)，輻射功率Prad和輔助加熱功率1.65MW(B)

離子飽和電流js以及靶板打擊點SP1和SP2(C)，偏濾器熱通量峰值qt(D)

圖2.聚變?nèi)朔e (密度×溫度×能量約束時間) 和等離子放電時間的圖表

不同兆安電流和兆瓦功率等級托卡馬克之間的比較

圖3.湍流驅動的電流與自舉電流動力學特征

圖4.偏濾器全脫靶與著靶狀態(tài)等離子體輻射的二維分布對比