应对未来聚变堆高约束运行的重大挑战——郭志彬等在托卡马克高约束模式研究中取得重要进展
发布时间：2020-12-22
高约束运行模式（H 模）是未来聚变堆（如国际热核聚变实验堆（ITER）、中国聚变工程试验堆（CFETR）等）稳态运行的一个基本模式。通常的H模面临的最大挑战之一是高约束条件下边缘局域模（ELM: Edge Localized Mode）引起的等离子体边缘区温度、密度台基的周期性突发式崩塌。这些崩塌过程释放的强脉冲热流会导致偏滤器热负荷过载、靶板材料溅射损伤甚至融化；不仅引起偏滤器靶板的损坏，而且可能导致大量高原子序数杂质进入芯部等离子体引起大破裂（Major Disruption）。例如，数值估算ITER的ELM爆发所释放的热流强度甚至可达100MW/m2, 而目前已知的偏滤器材料能承受的最大热负荷仅为10 MW/m2，二者相差一个数量级！这无疑对磁约束聚变能源的实现是极大的挑战。近年来，国内外主要托卡马克装置实验中发现了在某些条件下H模运行可以进入一种几乎无崩塌状态，即QH模（Quiescent H-mode）。这为解决偏滤器热负荷过载问题提供了一条可供选择的途径。因此，如何理解QH模的形成机制成为当前磁约束等离子体物理研究的一个关键科学问题。
研究人员往往借助于大规模数值模拟对QH模的研究。当这些研究难以揭示QH模形成的物理机制，特别是难以揭示ELM-H模与QH模的相互转化过程。QH模理论研究面临的最大困难是要同时处理多种自由能（电流、压强、涡度梯度等）在等离子体边缘区的耦合。在这个区间，传统的本征模分析手段往往是不适用的。
图1涡旋波的发展路径和QH状态形成
物理学院郭志彬研究员在深入分析边缘区等离子体湍流性质的基础上，提出了一种研究等离子体边缘区激发模式的新手段—涡旋波耦合理论。在这一理论模型下，研究发现：1）当电流密度驱动和压强梯度驱动的双涡旋波实现锁相时，ELM将被激发，等离子体进入ELM-H模状态；2）当涡度梯度、电流密度和压强梯度驱动的三涡旋波同时实现锁相时，边界层的高频谐振荡（EHO: Edge Harmonic Oscillation）将被激发，从而使等离子体进入QH模状态。郭志彬课题组发现等离子体边缘区的径向电场曲率在选择涡旋波的锁相方式上起着关键作用（图1）：1）降低边界电场曲率，三涡旋波联合模式的不稳定性边界（蓝线）会处在ELM边界（黑色）右侧，此时系统将处于ELM H模状态；2）增加边界电场曲率，直到三涡旋波联合模式的不稳定性边界（红色）移至ELM边界（黑色）左侧，此时系统将处于QH模状态。这一理论进一步发展了郭志彬等提出的滑相输运理论（https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.145002）,对未来聚变堆先进运行模式物理设计和实验研究具有重要的指导意义。
这一工作已经在线发表在《物理评论快报》【https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.125.255003】。北京大学物理学院重离子物理研究所博士研究生张毅为文章第一作者，郭志彬研究员为通讯作者，合作者还有加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的P. H. Diamond教授。该工作得到了国家重点研发计划项目（2018YFE0311400 ）、国家自然基金面上项目（8200905737）、北京大学高性能计算平台等支持。
