我国找到“人造太阳”高性能稳态运行模式

科技日报合肥7月2日电  （记者吴长锋）记者从中科院离子体物理研究所获悉，该所EAST超导托卡马克团队在前期工作基础上，发展出了一种高性能稳态等离子体运行模式，并系统验证了其与未来聚变堆若干运行条件的兼容性。研究成果日前在线发表在国际物理期刊《物理评论快报》上。

在托卡马克核聚变实验装置中，高约束等离子体的边界区域会周期性地爆发出一种称为边界局域模（ELM）的不稳定性。大幅度ELM类似太阳耀斑爆发，造成等离子体能量和粒子的瞬间释放，喷射出强大的热脉冲，侵蚀装置的内壁，甚至导致材料的熔化，并产生大量杂质粒子污染聚变堆芯部等离子体，制约聚变堆长时间稳态运行。

在未来聚变堆上，需要将ELM带来的瞬态热负荷降低至少20倍，这是国际热核聚变实验堆ITER面临的一个严峻挑战，探索无ELM或具有小幅度ELM的高约束运行模式及其物理机制，是磁约束聚变研究的一个重大科学前沿问题。

Grassy  ELM是一种特殊的自发高频小幅度ELM，它带来的瞬态热负荷通常低于常规大幅度ELM的1/20，但其机理和获得条件不清楚，国际一些主流托卡马克上一直难以稳定地获得这种运行模式。在未来聚变堆上，能否稳定可靠地获得这种运行模式，是国际聚变界亟待回答的问题。

EAST团队在与未来聚变堆类似的金属壁、低旋转、电子主导加热等物理条件下，确认了获得这一模式的物理条件。他们在实验中首次揭示出Grassy  ELM形成的内在动力学机制，并发现它对杂质具有很强的排出能力，特别适合实现高性能等离子体的长时间稳态运行。这一运行模式为解决聚变堆瞬态热负荷瓶颈问题，实现聚变堆的稳态运行提供了一种潜在的新方案。

据悉，我国正在开展1GW聚变功率的聚变工程实验堆CFETR的集成工程设计，这种运行模式的等离子体部分归一化参数与CFETR的设计参数接近，为应用于未来ITER和CFETR高性能稳态运行模式奠定了物理基础。