近日，等離子體物理研究所徐國盛研究員團隊及其合作者在偏濾器瞬態和穩態熱負荷集成控制研究中取得重要進展。該研究首次在金屬壁環境中，于分鐘量級時間尺度上，演示了一種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著挑戰。一方面，偏濾器靶板需要承受極高的穩態熱負荷；另一方面，在高約束模式下等離子體邊界會產生一種稱為邊緣局域模（ELM）的周期性不穩定性，它所爆發產生的瞬態熱負荷可能損傷裝置內部件并引入雜質。通常通過注入輕雜質氣體進入偏濾器脫靶狀態來緩解其承受的穩態熱負荷。然而，深度脫靶常常會冷卻等離子體邊緣的臺基區域，導致性能下降。此前實現的無ELM運行往往伴隨著臺基性能的退化。因此，探索一種能同時實現偏濾器脫靶、完全抑制ELM并維持高性能臺基的穩態運行模式，是國際聚變研究的重要目標。

在這項工作中，研究團隊通過反饋控制注入輕雜質氣體，在分鐘量級的時間尺度上實現了一種被稱為脫靶-湍流主導臺基（DTP）的運行機制。在此機制主導的放電中，偏濾器靶板熱負荷顯著降低，ELM被完全抑制，同時臺基的電子溫度顯著增加，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，減少了再循環中性粒子和雜質對臺基的冷卻，從而提高了臺基溫度梯度。增強的臺基溫度梯度為微觀不穩定性提供充足的自由能并激發了一種高頻寬譜湍流。通過大型回旋動理學模擬，研究團隊確認該湍流是一種由溫度梯度驅動的捕獲電子模。這種湍流在臺基區驅動了持續向外的粒子與熱輸運，形成了一個自然的輸運通道，從而限制了臺基增長并抑制了ELM的觸發，維持了穩態無ELM運行。在此研究基礎上，研究團隊實現并維持了分鐘量級的DTP放電運行。

這項研究演示了一種高性能集成運行模式并闡明了其背后的物理機制。DTP運行模式的關鍵物理機制在于，偏濾器部分脫靶結合封閉偏濾器位形使得臺基溫度梯度提升，從而激發了由溫度梯度驅動的捕獲電子模湍流。這種湍流在臺基區形成了穩定的、向外的粒子和熱輸運通道，從而限制了臺基壓力的增長，在抑制ELM的同時維持了高性能。這一物理過程不依賴于特定的雜質種類或某個裝置的絕對參數，而是由溫度梯度、密度梯度和碰撞率等物理參數所主導。根據分析，ITER的臺基預計將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，這些條件將更有利于激發DTP模式中的捕獲電子模湍流。因此，DTP運行模式被視為ITER及未來聚變堆實現長脈沖高性能運行的一個有潛力的候選方案。

這項研究結果以Turbulence-Driven Edge-Localized-Mode-Free High-Confinement Mode with Divertor Detachment in a Metal-Wall Tokamak為題發表在Physical Review Letters期刊上。徐國盛研究員和等離子體所博士后丁根凡為該論文共同第一作者，徐國盛研究員和萬寶年研究員為通訊作者。這項工作由等離子體物理研究所、中國科學技術大學等單位的研究人員合作完成。研究獲得了中國國家磁約束核聚變能研究專項的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/7r3f-dqft

圖1. 利用輕雜質注入實現偏濾器部分脫靶、ELM完全抑制、以及臺基性能顯著提升

圖2. 利用輕雜質注入實現無ELM與偏濾器脫靶兼容的高性能長脈沖運行

圖3. DTP運行模式的物理機制