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        科学家找到“人造太阳”高性能稳态运行模式

        发布时间: 2019-07-03     来源: 科技日报

        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ELM1/20,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ITERCFETR高性能稳态运行模式奠定了物理基础。