近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院等離子體所劉海慶研究員團隊聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蔡輝山教授團隊在長脈沖放電非線性物理研究中取得新進展。該團隊通過深入分析一次持續(xù)125秒的長脈沖放電實驗，首次系統(tǒng)揭示了等離子體電流剖面、磁流體不穩(wěn)定性與環(huán)向旋轉(zhuǎn)三者之間通過“自組織”過程相互耦合并自發(fā)演化的物理機制，相關(guān)成果以“Investigation of MHD events and associated toroidal rotation variation in an EAST long-pulse discharge”為題發(fā)表于核聚變領(lǐng)域核心期刊Nuclear Fusion。

實現(xiàn)未來聚變能應(yīng)用的核心挑戰(zhàn)之一，是維持等離子體在數(shù)小時量級的穩(wěn)定高性能運行。這不僅需要精密的外部控制，更依賴于等離子體內(nèi)部自發(fā)形成的“自組織”穩(wěn)態(tài)。此前，EAST已實現(xiàn)超過千秒的長脈沖運行世界紀錄，其中等離子體的自組織行為被認為是維持穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵。然而，這一過程中多種物理量（如電流、溫度、旋轉(zhuǎn)、不穩(wěn)定性）如何相互作用并協(xié)同演化，其內(nèi)在物理機制尚不清晰。

本研究聚焦于EAST裝置上一次持續(xù)125s的典型長脈沖放電。研究發(fā)現(xiàn)，在放電初期，一個m/n=3/2撕裂模（TM）被激發(fā)并持續(xù)約42秒。盡管外部加熱功率保持恒定，但通過低雜波電流驅(qū)動與等離子體極向磁場的非線性耦合，電流剖面發(fā)生了緩慢的自組織演化，導(dǎo)致磁剪切增強，最終使該撕裂模被自然抑制。撕裂模消失后，等離子體核心電子溫度升高，約束性能得到改善。與此同時，研究團隊觀測到一種獨特的不穩(wěn)定性模式轉(zhuǎn)換現(xiàn)象：一個m/n=1/1的長壽模（LLM）會與一個m/n=1/1高頻模（HFM）交替出現(xiàn)。分析表明，當電子溫度梯度超過閾值（R/LTe ~ 8.5）時，會激發(fā)由溫度梯度驅(qū)動的HFM，其頻率會隨梯度“啁啾”變化，特性類似于漂移撕裂模，可能對維持核心輸運壘起到關(guān)鍵作用。另外，研究通過實驗與模擬相結(jié)合，證實這些MHD模式會通過“新經(jīng)典環(huán)向粘性（NTV）”效應(yīng)產(chǎn)生環(huán)向力矩。模擬顯示，撕裂模會產(chǎn)生一個與等離子體自轉(zhuǎn)方向相反的“剎車”力矩；當撕裂模消失后，這個力矩減小，導(dǎo)致等離子體核心旋轉(zhuǎn)加速，這可能是約束改善的另一個關(guān)鍵物理因素。

該研究描繪了在長脈沖條件下，等離子體通過內(nèi)部物理量的自組織相互作用，從一個較不穩(wěn)定的狀態(tài)自發(fā)演化到一個更穩(wěn)定、更高性能的狀態(tài)，深化了對長脈沖等離子體穩(wěn)態(tài)運行物理機制的理解。

由儲宇奇博士后協(xié)助指導(dǎo)的博士生朱榮杰為論文的第一作者。該研究受到國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項、安徽省重大科技專項項目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等項目的資助。

論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/adfe7e

圖1：放電參數(shù)

圖2：MHD模式轉(zhuǎn)換與溫度梯度閾值