合肥研究院長脈沖高約束等離子體維持機理研究獲進展

　　中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所在2012年實驗中獲得了超過30秒的長脈沖“高約束模式”（H模）等離子體，創造了新的“H模”長度世界紀錄。為了解釋維持長脈沖“H模”的機理，徐國盛研究員帶領課題組經過一年多的研究，取得了新進展。他們在“H模”等離子體邊界觀察到一種新的靜電準相干模，并首次獲得準相干模排出粒子和熱的直接實驗證據。相關成果最近發表在國際物理學期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

　　如何在托卡馬克裝置中長時間維持“高約束模式”（H模）是核聚變研究當前面臨的一個主要難題。要維持“H模”，需要在等離子體邊界區域有某種輸運方式，持續不斷地排出粒子和熱，否則雜質粒子和能量就會不斷積累，最終導致高約束狀態終止。通常伴隨“H模”出現的“邊界局域模”，雖然能起到排出粒子和熱的作用，但是其帶來的瞬態熱負荷，會嚴重侵蝕面對等離子體的器壁材料，是目前任何材料所不能承受的。因此，要實現聚變能就必須找到一種在等離子體邊界區域持續性排出粒子和熱的方式。

　　等離子體所的科研人員在長脈沖“H模”等離子體邊界的陡峭壓力梯度區域，觀察到一種新的靜電準相干模，其頻率接近當地電子逆磁漂移頻率，在等離子體坐標系下沿電子逆磁漂移方向傳播。為了實現對準相干模驅動的徑向粒子通量和熱通量的直接實驗測量，他們首次在托卡馬克裝置上使用了金剛石鍍膜的探針，伸到了等離子體邊界區域，獲得了準相干模驅動徑向朝外的粒子輸運和熱輸運的關鍵實驗證據，證明了準相干模對于長脈沖“H模”的維持起到了至關重要的作用。此外，他們使用了新研制的具有上下對稱觀測區域的充氣成像系統，實現了對準相干模兩維精細空間結構的直接觀測。與此同時，他們使用了大型回旋動力學數值模擬程序，對準相干模的物理性質及產生機制進行了研究。模擬結果顯示，這種準相干模具有耗散俘獲電子模的特征，對于理解它在什么情況下會出現，及為什么會驅動徑向朝外的輸運具有重要的理論指導意義。這種新的靜電準相干模的發現，可能為核聚變裝置中維持穩態高約束等離子體提供一種新的途徑。

　　背景：核聚變能源清潔、安全且燃料取之不盡用之不竭，被認為是取代化石能源、徹底解決環境污染問題的理想能源形式。托卡馬克是產生核聚變反應的一種裝置。核聚變目前仍然處于研發階段。正在法國建造中的“國際熱核聚變實驗堆”（ITER），預計2020年建成，試圖實現“自持燃燒”，即像煤球爐那樣，點燃后，聚變反應產生的熱足以把燃料加熱到核反應所需的溫度，不再需要外界輔助加熱。