近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等在偏濾器瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷集成控制研究中取得進(jìn)展。該研究首次在金屬壁環(huán)境、分鐘量級時間尺度上，演示了能夠?qū)⑵珵V器部分脫靶、無邊緣局域模的高約束模式運行與高臺基性能相結(jié)合的等離子體運行模式。

　　在下一代聚變裝置中，偏濾器熱負(fù)荷控制面臨挑戰(zhàn)。當(dāng)前，同時實現(xiàn)偏濾器脫靶、完全抑制邊緣局域模并維持高性能臺基的穩(wěn)態(tài)運行模式，是聚變研究的重要目標(biāo)。

　　研究通過反饋控制注入輕雜質(zhì)氣體，在分鐘量級時間尺度上實現(xiàn)了被稱為脫靶—湍流主導(dǎo)臺基的運行機(jī)制。在該機(jī)制主導(dǎo)的放電中，偏濾器靶板熱負(fù)荷降低，邊緣局域模被抑制，同時臺基的電子溫度增加，整體等離子體能量約束得到改善。

　　研究發(fā)現(xiàn)，部分脫靶狀態(tài)結(jié)合封閉的偏濾器結(jié)構(gòu)，有助于將中性粒子捕獲在偏濾器區(qū)域內(nèi)并被抽走，減少再循環(huán)中性粒子和雜質(zhì)對臺基的冷卻，提高臺基溫度梯度。增強(qiáng)的臺基溫度梯度為微觀不穩(wěn)定性，可以提供充足的自由能并激發(fā)高頻寬譜湍流。大型回旋動理學(xué)模擬證實，該湍流是由溫度梯度驅(qū)動的捕獲電子模。這種湍流在臺基區(qū)驅(qū)動持續(xù)向外的粒子與熱輸運，形成自然的輸運通道，限制臺基增長并抑制邊緣局域模觸發(fā)，維持穩(wěn)態(tài)無邊緣局域模運行?；诖?，研究實現(xiàn)并維持了分鐘量級的脫靶—湍流主導(dǎo)臺基放電運行。

　　這項研究發(fā)現(xiàn)了高性能集成運行模式并闡明了背后的物理機(jī)制。偏濾器部分脫靶結(jié)合封閉偏濾器位形，可提升臺基溫度梯度，激發(fā)溫度梯度驅(qū)動的捕獲電子模湍流。這種湍流在臺基區(qū)形成穩(wěn)定向外的粒子和熱輸運通道，從而限制臺基壓力增長，在抑制邊緣局域模的同時維持了高性能。同時，這一物理過程由溫度梯度、密度梯度和碰撞率等物理參數(shù)主導(dǎo)。ITER裝置的臺基預(yù)計具有更低的密度梯度、更弱的E×B流剪切以及更低的碰撞率，這些條件將更利于激發(fā)脫靶—湍流主導(dǎo)臺基模式中的捕獲電子模湍流。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

脫靶—湍流主導(dǎo)臺基運行模式的物理機(jī)制