科學(xué)島核聚變大科學(xué)團(tuán)隊(duì)在基礎(chǔ)研究方面取得系列成果

實(shí)現(xiàn)高性能等離子體穩(wěn)態(tài)運(yùn)行是未來聚變堆必須要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。近期，中科院合肥研究院等離子體所核聚變大科學(xué)團(tuán)隊(duì)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(chǔ)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(tuán)隊(duì)在高能量約束先進(jìn)模式等離子體運(yùn)行方面取得的重要成果。

托卡馬克先進(jìn)運(yùn)行模式是當(dāng)前磁約束核聚變研究的熱點(diǎn)之一。核聚變大科學(xué)團(tuán)隊(duì)在托卡馬克裝置等離子體物理實(shí)驗(yàn)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(jí)I模(Super I-mode)。其特點(diǎn)是等離子體中心的電子內(nèi)部輸運(yùn)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)模式具有芯部無雜質(zhì)積累，便于聚變反應(yīng)生成物排出，維持平穩(wěn)溫度臺(tái)基等優(yōu)點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)了芯部高約束與無邊界密度臺(tái)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(shí)間尺度上的高性能等離子體運(yùn)行方面的優(yōu)勢能夠比較好地結(jié)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(yùn)行的高能量約束模式，可應(yīng)用于國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆長脈沖運(yùn)行，對(duì)于未來聚變堆運(yùn)行具有重要意義。(圖1.圖2)

日前，核聚變大科學(xué)團(tuán)隊(duì)還首次證明了托卡馬克等離子體中存在湍流驅(qū)動(dòng)的電流成份，是保持高電子溫度穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵物理機(jī)制。借助湍流回旋動(dòng)理學(xué)模擬計(jì)算證實(shí)了實(shí)驗(yàn)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(qiáng)可驅(qū)動(dòng)這一電流。湍流驅(qū)動(dòng)的電流和壓強(qiáng)梯度共同驅(qū)動(dòng)內(nèi)扭曲模，形成湍流-湍動(dòng)電流-內(nèi)扭曲模自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而維持芯部電子溫度梯度穩(wěn)定。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上。(圖3)

(資料圖)

此外，核聚變大科學(xué)團(tuán)隊(duì)在托卡馬克裝置中外聯(lián)合實(shí)驗(yàn)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(yùn)行模式下雙輸運(yùn)壘帶來的約束增強(qiáng)，實(shí)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(jié)合理論模擬揭示了偏濾器脫靶、邊界輸運(yùn)壘和內(nèi)部輸運(yùn)壘三者之間相互作用的物理機(jī)制。脫靶引起的雙輸運(yùn)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(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(tuán)隊(duì)貫徹落實(shí)“基礎(chǔ)研究十條”，通過發(fā)揮建制化、多學(xué)科、大平臺(tái)的特點(diǎn)，結(jié)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)研究。在引領(lǐng)核聚變前沿技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)研究深耕探索，發(fā)現(xiàn)系列新的物理現(xiàn)象，揭示和驗(yàn)證了其中的相關(guān)物理機(jī)制，特別是在高性能穩(wěn)態(tài)長脈沖等離子體運(yùn)行模式方面開展的研究，為聚變堆建設(shè)和運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

等離子體所核聚變大科學(xué)團(tuán)隊(duì)及國內(nèi)外合作者在高能量約束先進(jìn)模式、湍流驅(qū)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、橡樹嶺聯(lián)合大學(xué)、勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室等國內(nèi)外核聚變研究機(jī)構(gòu)開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(xiàng)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。

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(diǎn)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(shí)間) 和等離子放電時(shí)間的圖表

不同兆安電流和兆瓦功率等級(jí)托卡馬克之間的比較

圖3.湍流驅(qū)動(dòng)的電流與自舉電流動(dòng)力學(xué)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(duì)比

標(biāo)簽： 等離子體 基礎(chǔ)研究 托卡馬克