等离子体所在三维场下等离子体约束输运研究方面取得重要进展

近日，等离子体所孙有文研究员团队联合中国科学技术大学叶民友教授团队在三维物理研究中取得重要进展。通过施加仅占平衡磁场0.1%的小幅度共磁扰动（RMP），首次实现了一种兼具内部输运垒（ITB）和边界局域模（ELM）抑制的新等离子体约束模式。该成果以"New Tokamak Plasma Confinement Regime Realized by Utilizing Small Magnetic Perturbations in the EAST Tokamak"为题发表于物理能源权威期刊《PRX Energy》。论文第一作者为等离子体所博士后盛回，通讯作者为孙有文研究员和叶民友教授。

兼具堆芯ITB和边界输运垒(ETB)的高约束模式是未来磁约束托卡马克聚变堆的理想运行模式，但这一模式需要同时解决多个关键挑战。在等离子体芯部，ITB难以产生、维持和控制，特别是在未来钨壁装置中，还需要有效控制钨杂质聚芯。在等离子体边界，ETB虽然能够稳定产生，但通常伴随着ELM的爆发，会对第一壁材料造成严重损伤，因此未来聚变装置必须实现有效的ELM控制。RMP作为一种有效的ELM控制手段，在过去的研究中往往需要以牺牲部分约束性能为代价。

针对这些难题，研究团队通过优化RMP谱型和模数，成功将磁扰动局域在边界区域，在EAST上不仅实现了ELM抑制和杂质控制，还首次发现RMP能够触发和维持ITB，有效弥补了RMP对约束的负面作用。通过深入研究，团队揭示了RMP触发ITB形成的复杂物理过程，该过程涉及RMP与钨杂质、等离子体旋转、电流剖面等多参数的多尺度非线性相互作用。

相较于传统方法，RMP触发ITB不依赖于等离子体的初始状态，且功率阈值降低了一倍以上。进一步研究表明，RMP不仅能可以有效且稳定地维持ITB，还可以通过调节谱型、模数等参数实现对ITB行为的主动控制。目前利用该方法，已在EAST上较宽的密度和边界安全因子区间实现了ITB的有效控制。这一突破不仅为RMP研究开辟了新方向，也为未来ITB的控制和研究提供了全新的方法。

以上工作得益于EAST大科学装置团队成员间的紧密协作，相关研究成果对于未来聚变堆高参数条件下芯部和边界兼容控制具有重要的科学意义和应用价值。该研究受到国家磁约束核聚变能发展研究专项、国家自然科学基金、中国科学院先导B、安徽省自然科学基金、合肥物质科学研究院院长基金等项目的资助。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/jtrr-p41y

图1.利用RMP实现ELM抑制和ITB触发

图2.RMP触发ITB形成的复杂物理过程

图3.RMP对ITB的主动控制