科學(xué)島核聚變大科學(xué)團隊在基礎研究方面取得系列成果

作者：伊斯特發(fā)布時(shí)間：2023-01-06【打印】【關(guān)閉】

　　實(shí)現高性能等離子體穩態(tài)運行是未來(lái)聚變堆必須要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。近期，中科院合肥研究院等離子體所核聚變大科學(xué)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(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）發(fā)表了核聚變大科學(xué)團隊在高能量約束先進(jìn)模式等離子體運行方面取得的重要成果。

　　托卡馬克先進(jìn)運行模式是當前磁約束核聚變研究的熱點(diǎn)之一。核聚變大科學(xué)團隊在托卡馬克裝置等離子體物理實(shí)驗研究中發(fā)現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(diǎn)是等離子體中心的電子內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(jìn)模式具有芯部無(wú)雜質(zhì)積累，便于聚變反應生成物排出，維持平穩溫度臺基等優(yōu)點(diǎn)，并實(shí)現了芯部高約束與無(wú)邊界密度臺基及邊界不穩定性的兼容，使得等離子體與壁相互作用同長(cháng)時(shí)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(lái)。這種無(wú)需通過(guò)外部控制來(lái)確保等離子體穩態(tài)運行的高能量約束模式，可應用于國際熱核聚變實(shí)驗堆長(cháng)脈沖運行，對于未來(lái)聚變堆運行具有重要意義。(圖1.圖2)

　　日前，核聚變大科學(xué)團隊還首次證明了托卡馬克等離子體中存在湍流驅動(dòng)的電流成份，是保持高電子溫度穩定運行的關(guān)鍵物理機制。借助湍流回旋動(dòng)理學(xué)模擬計算證實(shí)了實(shí)驗中觀(guān)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(dòng)這一電流。湍流驅動(dòng)的電流和壓強梯度共同驅動(dòng)內扭曲模，形成湍流-湍動(dòng)電流-內扭曲模自我調節系統，從而維持芯部電子溫度梯度穩定。相關(guān)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(xué)團隊在托卡馬克裝置中外聯(lián)合實(shí)驗中利用封閉偏濾器下的雜質(zhì)注入脫靶控制，以及高極向比壓運行模式下雙輸運壘帶來(lái)的約束增強，實(shí)現了高比壓高參數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(lái)了能量約束的凈增益。相關(guān)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(xué)團隊貫徹落實(shí)“基礎研究十條”，通過(guò)發(fā)揮建制化、多學(xué)科、大平臺的特點(diǎn)，結合開(kāi)放共享的國際交流與合作，凝聚優(yōu)勢資源，組織開(kāi)展體系化的等離子體物理實(shí)驗基礎研究。在引領(lǐng)核聚變前沿技術(shù)發(fā)展的基礎研究深耕探索，發(fā)現系列新的物理現象，揭示和驗證了其中的相關(guān)物理機制，特別是在高性能穩態(tài)長(cháng)脈沖等離子體運行模式方面開(kāi)展的研究，為聚變堆建設和運行奠定堅實(shí)的基礎。

　　等離子體所核聚變大科學(xué)團隊及國內外合作者在高能量約束先進(jìn)模式、湍流驅動(dòng)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(xué)技術(shù)大學(xué)、法國原子能委員會(huì )、美國通用原子能公司、麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校、橡樹(shù)嶺聯(lián)合大學(xué)、勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室、橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室等國內外核聚變研究機構開(kāi)展的密切交流與合作。

　　相關(guān)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(xué)中心的大力支持。

　　https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.085003

　　https://www.nature.com/articles/s41467-021-21645-y