中国科学院合肥物质院等离子体所徐国盛研究员团队在偏滤器热负荷控制与高性能台基兼容运行模式研究方面取得新进展

近日，中国科学院合肥物质院等离子体所徐国盛研究员团队及其合作者在偏滤器瞬态和稳态热负荷集成控制研究中取得重要进展。该研究首次在金属壁环境中，于分钟量级时间尺度上，演示了一种能够将偏滤器部分脱靶、无边缘局域模的高约束模式运行与高台基性能相结合的等离子体运行模式。这项研究结果发表在Physical Review Letters上。

图1. 利用轻杂质注入实现偏滤器部分脱靶、ELM完全抑制、以及台基性能显著提升

在下一代聚变装置中，偏滤器热负荷控制面临着挑战。一方面，偏滤器靶板需要承受极高的稳态热负荷;另一方面，在高约束模式下等离子体边界会产生一种称为边缘局域模(ELM)的周期性不稳定性，它所爆发产生的瞬态热负荷可能损伤装置内部件并引入杂质。通常通过注入轻杂质气体进入偏滤器脱靶状态来缓解其承受的稳态热负荷。然而，深度脱靶常常会冷却等离子体边缘的台基区域，导致性能下降。此前实现的无ELM运行往往伴随着台基性能的退化。因此，探索一种能同时实现偏滤器脱靶、完全抑制ELM并维持高性能台基的稳态运行模式，是国际聚变研究的重要目标。

图2. 利用轻杂质注入实现无ELM与偏滤器脱靶兼容的高性能长脉冲运行

在这项工作中，研究团队通过反馈控制注入轻杂质气体，在分钟量级的时间尺度上实现了一种被称为脱靶-湍流主导台基(DTP)的运行机制。在此机制主导的放电中，偏滤器靶板热负荷显著降低，ELM被完全抑制，同时台基的电子温度显著增加，整体等离子体能量约束得到改善。研究发现，部分脱靶状态结合封闭的偏滤器结构有助于将中性粒子捕获在偏滤器区域内并被抽走，减少了再循环中性粒子和杂质对台基的冷却，从而提高了台基温度梯度。增强的台基温度梯度为微观不稳定性提供充足的自由能并激发了一种高频宽谱湍流。通过大型回旋动理学模拟，研究团队确认该湍流是一种由温度梯度驱动的捕获电子模。这种湍流在台基区驱动了持续向外的粒子与热输运，形成了一个自然的输运通道，从而限制了台基增长并抑制了ELM的触发，维持了稳态无ELM运行。在此研究基础上，研究团队实现并维持了分钟量级的DTP放电运行。

图3. DTP运行模式的物理机制

这项研究演示了一种高性能集成运行模式并阐明了其背后的物理机制。DTP运行模式的关键物理机制在于，偏滤器部分脱靶结合封闭偏滤器位形使得台基温度梯度提升，从而激发了由温度梯度驱动的捕获电子模湍流。这种湍流在台基区形成了稳定的、向外的粒子和热输运通道，从而限制了台基压力的增长，在抑制ELM的同时维持了高性能。这一物理过程不依赖于特定的杂质种类或某个装置的绝对参数，而是由温度梯度、密度梯度和碰撞率等物理参数所主导。根据分析，ITER的台基预计将具有更低的密度梯度、更弱的E×B流剪切以及更低的碰撞率，这些条件将更有利于激发DTP模式中的捕获电子模湍流。因此，DTP运行模式被视为ITER及未来聚变堆实现长脉冲高性能运行的一个有潜力的候选方案。