伴隨高約束模式等離子體，大幅度邊界局域模（ELM）準周期性的爆發會在百微秒時間尺度內釋放出裝置第一壁材料不可承受的瞬態高熱負荷，因此如何抑制大尺度ELM爆發是未來聚變堆實現高性能穩態運行的嚴峻挑戰之一。等離子體所胡建生研究員課題組在國際上率先采用實時鋰注入抑制ELM的方法，實現準穩態、完全抑制ELM的高約束模式等離子體（J.S. Hu, PRL 114, 055001 (2015)）。基于此項發現，課題組與美國普林斯頓大學等離子體物理實驗室合作，在東方超環裝置（EAST）上開展大量實驗研究，系統性驗證了硼粉注入抑制ELM的可行性，有望解決未來聚變裝置的瞬態高熱負荷問題。

　　近期，中美科研人員合作在EAST趨向ITER運行參數的高約束模等離子體中采用高頻（2kHz）鋰彈丸（直徑~0.7mm）注入，首次成功將I類ELM的幅度降低了約70%，有效降低了ELM的瞬態高熱負荷。通過實驗發現，鋰彈丸通過加強邊界輻射和再循環控制顯著降低了臺基壓力和自舉電流，同時增加了芯部等離子體壓力，改善了芯部等離子體約束性能。并且發現鋰彈丸調制后的臺基區壓力剖面對中等環向模數的剝離氣球模有致穩作用，相關論文發表于核聚變期刊Nuclear Fusion 上 (Z. Sun et al 2021 Nucl. Fusion 61 066022)。

       此外，科研人員首次采用普適于現有聚變裝置的壁處理材料—硼（Z=5），實時注入到EAST高約束模等離子體中，成功實現了ELM完全抑制，并改善了等離子體約束品質。研究發現伴隨硼粉注入，一支低頻（基頻2-5kHz）邊界相干諧頻模被加強，提供了新的粒子輸運通道，避免了雜質聚芯，保證了等離子體穩態運行，同時發現該運行模式具有較寬的等離子體運行窗口，不依賴于加熱模式和功率、等離子體密度，燃料種類，縱場方向，安全因子。特別值得注意的是，粒子平衡法分析表明硼注入不會增加燃料在第一壁上長期滯留，可以解決鋰注入帶來的燃料滯留問題，有利于提高未來氘氚運行聚變裝置的經濟性和安全性，相關論文以快報形式發表在Nuclear Fusion 上（Z. Sun et al 2021 Nucl. Fusion 61 014002）。相關實驗表明與高溫等離子體兼容性良好的低原子序數材料注入，不僅具有實時壁處理的效果，并且可以用于ELM控制，可為EAST長脈沖穩態運行和未來聚變裝置的ELM抑制這一極端重要問題提供了可行解決方案。

　　相關研究成果得到了EAST實驗團隊大力支持，也得益于等離子體所及美國普林斯頓大學等離子體物理實驗室、霍普金斯大學等相關科研人員的緊密合作，并受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金杰出青年項目及中科院合肥大科學中心高端用戶培育基金等項目的資助。

　　文章鏈接：

　　https://doi.org/10.1088/1741-4326/abc763 

　　https://doi.org/10.1088/1741-4326/abf855 

　　https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.114.055001 

　　圖1：高頻鋰彈丸注入前后ELM幅度表征

　　圖2：鋰注入前和ELM 緩解后的臺基剝離氣球摸不穩定性分析結果對比

　　圖3：實時硼粉注入抑制邊界局域模并激發邊界相干諧頻模

　　圖4：硼粉激發的邊界諧頻模的特征