磁约束聚变新突破：共振磁扰动协同偏滤器脱靶实现高约束等离子体有害爆发与热流控制

《Nature Communications》：Taming harmful bursts and heat flux in high-confinement tokamak plasmas

本研究针对托卡马克中边缘局域模（ELM）爆发性热负荷与稳态热流对第一壁材料的侵蚀难题，创新性地将共振磁扰动（RMP）主动控制与偏滤器脱靶技术相结合。通过在DIII-D装置上优化RMP位形与冷却气体注入，首次实现了在部分脱靶条件下RMP驱动的小型ELM稳定运行，并证实RMP可通过增强粒子输运降低脱靶阈值密度，同时抑制了三维磁瓣引起的二次热流峰值。该成果为ITER及未来聚变堆中边缘稳定性与功率排灰的协同控制提供了关键实验依据。

　　

实现可控核聚变是人类能源梦想的终极目标之一，而托卡马克装置中的高温等离子体磁约束是实现这一目标的重要途径。然而，当等离子体进入高约束模式（H-mode）时，边缘会周期性爆发一种称为边缘局域模（ELM）的不稳定性，瞬间释放大量能量和粒子，如同“太阳风暴”撞击装置内壁，严重威胁第一壁材料的寿命。与此同时，持续不断的稳态热流也对偏滤器部件造成侵蚀。为保护装置，科学家们发展出两种主要策略：一是通过注入冷却气体或杂质使偏滤器区域“脱靶”，形成辐射层屏蔽热流；二是利用外部线圈产生共振磁扰动（RMP）抑制或减缓ELM。但长期以来，这两种技术因所需等离子体参数矛盾而难以协同——RMP在低密度下有效，而脱靶需高密度条件。这一核心-边缘集成难题成为ITER及未来聚变堆发展的关键瓶颈。

在《Nature Communications》发表的最新研究中，胡启明博士与王浩魁博士领衔的国际团队报道了在DIII-D托卡马克上取得的突破性进展：通过优化RMP配置与气体注入，首次实现了在部分偏滤器脱靶条件下RMP驱动的小型ELM稳定运行，并系统揭示了RMP促进脱靶、抑制热流峰值的作用机制。

研究团队采用的关键技术方法包括：在DIII-D和EAST托卡马克上开展等离子体放电实验，利用三维线圈产生n=3共振磁扰动，通过汤姆逊散射系统（TS）和朗缪尔探针（LP）测量电子密度、温度及偏滤器靶板参数，结合红外热像仪（IRTV）监测热通量；基于SOLPS-ITER二维边界等离子体代码和EMC3-EIRENE三维模拟平台，量化RMP对输运系数及脱阈值的影响；利用GPEC和MARS-F代码计算等离子体对RMP的磁响应特性。

集成RMP ELM控制与部分偏滤器脱靶

实验在ITER相似位形（ISS）的上级单零（USN）偏滤器配置中进行。如图2所示，在纯D₂和N₂注入未加RMP时，虽然可实现瞬态脱靶（T_e,div< 5 eV），但伴随大ELM（ΔW/W_MHD~7%）。施加偶宇称n=3 RMP后，出现密度泵出（ne,ped降低40%）、ELM频率升至50–80 Hz且尺寸减小（ΔW/W_MHD~2–3%），但偏滤器再附着。当切换至奇宇称RMP时，不仅维持脱靶状态，还实现高频小型ELM（f_ELM~200–600 Hz, ΔW/W_MHD~0.3–0.5%），热流峰值降至0.5 MW/m2，且未观测到三维磁瓣引起的二次热流峰。

RMP促进偏滤器脱靶

通过梯度增加D₂注入速率（图4a–f），发现RMP使脱靶触发所需的 pedestal 密度阈值（f_G）从0.48（无RMP）降至0.4（4 kA RMP），且脱靶所需气体注入量减少约11%。剖面测量显示（图4g–j），RMP增强 pedestal 至刮削层（SOL）的粒子输运，导致 separatrix 内侧密度降低而SOL密度升高（30–110%），从而通过提升杂质辐射效率降低脱靶阈值。但过强RMP（>5 kA）会因过度粒子排出而降低脱靶度（DoD）。

二维与三维模拟验证RMP作用

SOLPS-ITER模拟显示（图5），RMP案例在separatrix附近具有更高的横向粒子（D_⊥）和热扩散系数（χ_e），使脱阈值密度降低19%，与实验观测一致。EMC3-EIRENE三维模拟进一步证实（图6），RMP在附着条件下产生二次热流峰（图6d），但在脱靶条件下该峰消失（图6c），且靶板热通量显著降低。

脱靶等离子体中RMP响应减弱

高碰撞率（ν_e^*~1.8）脱靶条件下，pedestal bootstrap电流下降超50%（图8a），导致等离子体对RMP的磁响应幅度衰减逾70%（图8b）。GPEC计算表明，奇宇称RMP在 pedestal-top 区域仍保持与磁场线螺距对齐（图8e），但完全抑制ELM需更高RMP电流（>15 kA），超出当前装置能力。

本研究通过实验与模拟相结合，证实RMP技术可通过调控边缘输运实现ELM控制与偏滤器脱靶的协同优化。RMP诱导的密度泵出与SOL密度提升有效降低脱靶阈值，而脱靶条件下的气体注入则抑制了三维磁瓣的热流风险。尽管高碰撞率会削弱等离子体响应，但ITER低碰撞率（ν_e^*<0.1）基线场景天然有利于强磁响应，结合其高气体通量设计，有望实现完全ELM抑制与深度脱靶的集成。该工作为聚变堆中功率排灰与边缘稳定性的兼容提供了关键实验支撑，标志着向实用化聚变能源迈出重要一步。