北京大學磁約束熱核聚變研究取得重要進展

作為最有希望的新能源技術(shù)，磁約束聚變裝置托卡馬克需要在高約束模式下才能獲得足夠的能量增益。但高約束模式帶來的一個嚴重問題是邊緣局域模不穩(wěn)定性的周期性爆發(fā)。這種等離子體噴發(fā)現(xiàn)象會嚴重灼蝕托卡馬克第一壁材料，不利于未來聚變堆的穩(wěn)態(tài)運行。這是目前國際ITER項目急需解決的難題。所以研究理解邊緣局域模的發(fā)生原理并給出其爆發(fā)判據(jù)是國際磁約束聚變研究的一個熱點問題。

最近北京大學物理學院等離子體物理與聚變研究所博士生席鵬偉(第一作者)與美國科學家、北京大學客座教授徐學橋、P. H. Diamond合作，通過數(shù)值模擬研究了邊緣局域模的爆發(fā)過程。他們發(fā)現(xiàn)在線性不穩(wěn)定性增長到足夠觸發(fā)邊緣局域模的強度之前，基于相位擾動的波-波相互作用已經(jīng)發(fā)生，并且會限制線性不穩(wěn)定的增長時間。這表明邊緣局域模的爆發(fā)過程是完全非線性的，而非以往認為的線性過程(見圖1)。該結(jié)果進而證明了原來廣泛使用的線性不穩(wěn)定性判據(jù)是非線性判據(jù)的一種極限情況，并給出了邊緣局域模爆發(fā)的非線性判據(jù)。該工作證明了邊緣等離子體湍流與邊緣局域模的爆發(fā)之間存在密切關(guān)聯(lián)，并表明通過調(diào)節(jié)等離子體湍流可以起到控制邊緣局域模的效果，因此該結(jié)果為實驗上存在的邊緣局域模控制手段提供了新的潛在理論解釋。席鵬偉曾在2013年美國物理學會等離子體物理分會年會上的特邀報告中介紹該結(jié)果，引起了國際同行的高度關(guān)注。

(a)(b)(c)不考慮非線性作用時，邊緣局域模的爆發(fā)過程;(d)(e)(f)考慮了非線性相互作用時，邊緣局域模并沒有發(fā)生。

該項成果發(fā)表在近期出版的《物理評論快報》上(Phys. Rev. Lett. 112, 085001，2014)，并得到了國家自然科學基金、國家磁約束聚變能發(fā)展研究專項、北京大學以及美國能源部和韓國“世界一流研究所”(WCI)基金的支持。（北京大學）