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近日，中國科學院合肥物質科學研究院等在偏濾器瞬態和穩態熱負荷集成控制研究中取得進展。該研究首次在金屬壁環境、分鐘量級時間尺度上，演示了能夠將偏濾器部分脫靶、無邊緣局域模的高約束模式運行與高臺基性能相結合的等離子體運行模式。

在下一代聚變裝置中，偏濾器熱負荷控制面臨挑戰。當前，同時實現偏濾器脫靶、完全抑制邊緣局域模并維持高性能臺基的穩態運行模式，是聚變研究的重要目標。

研究通過反饋控制注入輕雜質氣體，在分鐘量級時間尺度上實現了被稱為脫靶—湍流主導臺基的運行機制。在該機制主導的放電中，偏濾器靶板熱負荷降低，邊緣局域模被抑制，同時臺基的電子溫度增加，整體等離子體能量約束得到改善。

研究發現，部分脫靶狀態結合封閉的偏濾器結構，有助于將中性粒子捕獲在偏濾器區域內并被抽走，減少再循環中性粒子和雜質對臺基的冷卻，提高臺基溫度梯度。增強的臺基溫度梯度為微觀不穩定性，可以提供充足的自由能并激發高頻寬譜湍流。大型回旋動理學模擬證實，該湍流是由溫度梯度驅動的捕獲電子模。這種湍流在臺基區驅動持續向外的粒子與熱輸運，形成自然的輸運通道，限制臺基增長并抑制邊緣局域模觸發，維持穩態無邊緣局域模運行?；诖?，研究實現并維持了分鐘量級的脫靶—湍流主導臺基放電運行。

這項研究發現了高性能集成運行模式并闡明了背后的物理機制。偏濾器部分脫靶結合封閉偏濾器位形，可提升臺基溫度梯度，激發溫度梯度驅動的捕獲電子模湍流。這種湍流在臺基區形成穩定向外的粒子和熱輸運通道，從而限制臺基壓力增長，在抑制邊緣局域模的同時維持了高性能。同時，這一物理過程由溫度梯度、密度梯度和碰撞率等物理參數主導。ITER裝置的臺基預計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，這些條件將更利于激發脫靶—湍流主導臺基模式中的捕獲電子模湍流。

相關研究成果發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

論文鏈接

脫靶—湍流主導臺基運行模式的物理機制