近日，中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所與美國通用原子公司等合作，在託卡馬克偏濾器脫靶與高效能等離子體的相容整合研究中取得進展，相關研究成果以Integration of full divertor detachment with improved core confinement for tokamak fusion plasmas為題，發表在《自然·通訊》上。
2013年，中美EAST/DIII-D聯合實驗正式啟動，聯合研究團隊面向ITER和CFETR，在同時具有遠軸內部輸運壘與邊界輸運壘的高極向比壓先進穩態執行模式方面取得了多項原創性研究成果。
偏濾器脫靶能夠有效降低偏濾器靶板表面的高熱負荷和材料腐蝕，是解決未來聚變堆穩態執行等離子體與壁相互作用難題頗具前景的途徑，但通常偏濾器脫靶，尤其是完全脫靶會帶來中心等離子體約束效能較大的損失。因此，偏濾器脫靶與中心高效能等離子體的相容整合是國際聚變科學研究的目標之一。2018年，聯合實驗團隊在該執行模式下探索芯部高約束等離子體與偏濾器脫靶的相容整合研究。
EAST/DIII-D新一輪聯合實驗利用封閉偏濾器下的雜質注入脫靶控制，以及高極向比壓執行模式下雙輸運壘帶來的約束增強，在DIII-D裝置上實現了高比壓高參數芯部等離子體與偏濾器全脫靶狀態的有效相容整合，等離子體歸一化比壓達到3（βN~3）， 能量約束因子比普通高約束模式高50%（H98~1。5）。科研人員利用發展的主動反饋系統最佳化雜質注入量實現了對高比壓等離子體下的偏濾器脫靶的主動控制，獲得了低熱流和粒子流的偏濾器等離子體，有效減緩了高效能等離子體與壁的強烈相互作用。
研究人員結合理論模擬揭示了偏濾器脫靶、邊界輸運壘和內部輸運壘三者之間相互作用的物理機制。偏濾器完全脫靶減弱了邊界輸運壘，但增強了遠軸區域的內部輸運壘。這種由脫靶引起的雙輸運壘的自組織協同作用，改善了芯部與邊界的相容性，帶來了能量約束的淨增益，為解決磁約束聚變能研究中極具挑戰性的科學問題之一的“芯部-邊界的相容性”，提供了重要參考。下一步，科研人員將利用這些結果來驗證芯部-邊界-偏濾器整合方案的一致性，並將研究成果拓展到EAST裝置穩態長脈衝高約束執行和未來聚變堆實驗的穩態執行。
該研究成果得益於等離子體所與美國通用原子公司、美國橡樹嶺聯合大學、美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、美國聖地亞國家實驗室和美國橡樹嶺國家實驗室等研究機構的長期合作及EAST/DIII-D聯合實驗研究團隊成員的通力協作。研究工作得到國家自然科學基金、科學技術部磁約束核聚變能發展研究專項、中科院、安徽省和合肥綜合性國家科學中心的支援。
圖1。偏濾器脫靶主動控制實驗中的高比壓高約束等離子體主要放電引數
圖2。偏濾器全脫靶與著靶狀態等離子體輻射的二維分佈對比