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定位 |
实验室面向国家能源战略需求，聚焦可控核聚变物理前沿，开展磁约束核聚变物理前瞻性布局和系统性研究，解决制约聚变堆建设和运行的瓶颈性科学问题，探索聚变新途径，抢占聚变能研究国际制高点，成为代表国家最高水平的战略科技力量。 | |
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序号 |
研究方向 |
研究内容 |
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1 |
燃烧等离子体前沿物理 |
（1）a粒子与湍流相互作用 研究各种微观尺度不稳定性物理，揭示堆芯区域的湍流特性与阿尔法粒子约束输运的关联机制；阐明多模式自反馈与非线性演化的物理过程；自主发展基于第一性原理的集成模拟程序，探索燃烧等离子体中抑制湍流的新途径。 （2）燃烧等离子体不稳定性 研究相空间下快粒子与等离子体不稳定性的非线性共振相互作用，厘清快粒子激发的鱼骨模、阿尔芬本征模特征，揭示快粒子激发不稳定性以及不稳定影响快粒子约束机理，寻找主动控制快粒子的新方法。 （3）聚变堆自加热调控 研究燃烧等离子体中α粒子与多尺度模式耦合物理，利用射频波-快粒子-等离子体波三波非线性耦合作用，探索燃烧等离子体中a粒子调控机理，实现聚变堆高效自加热。 |
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2 |
等离子体自组织演化与调控 |
（1）复杂系统多场多尺度耦合 研究等离子体多时空尺度非线性演化规律，发展基于第一性原理的输运新模型，阐明等离子体中的反常输运物理机制，揭示等离子体多模耦合及相互作用机理，推动非线性物理学发展。 （2）等离子体非线性自组织行为 研究等离子体中的非线性自组织行为及其演化规律，探索稳态非线性自组织的突变机制，揭示等离子体边界与芯部兼容的输运垒行程及维持机理，发展等离子体中的破裂事件控制新方法。 （3）非线性系统长时间演化与调控 研究长时间尺度下热与粒子平衡调控方法，探索等离子体加料、加热、电流驱动等外部手段调控等离子体行为的物理机制，揭示长时间尺度下等离子体与壁相互作用机理，发展多尺度等离子体多手段精准控制方法。 |
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3 |
聚变新途径、新模式 |
（1）大电流反场箍缩的电磁湍流特性 开展无外加强约束磁场条件下脉冲高功率纯感应欧姆加热等离子体研究，研究提升欧姆感应加热等离子体效率的方案，开展相关高比压下大电流等离子体三维自组织平衡和三维等离子体电磁湍流约束改善机制的研究。 （2）仿星器三维磁流体平衡及不稳定性 发展新理论模型，开发新工具，开展先进仿星器磁场位型下的三维磁流体平衡、稳定性和约束性能模拟研究；探索三维线圈的新型设计方法并验证其可行性；寻找具有出色约束性能和适当建造难度的优化位型，为未来先进聚变堆磁场位型优化奠定基础。 （3）磁镜位型中强湍流的反常抑制机理 抑制线性开放位型下终端损失，控制高比压等离子体磁流体不稳定性，研究串列磁镜和场反位型中等离子体状态的调控机制，开展湍动条件下电子、离子反常散射及其输运的实验研究。 |
研究方向1: 燃烧等离子体前沿物理
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序号 |
成果名称 |
完成人 |
刊物、出版社或授权单位名称 |
年、卷、期、页或专利号 |
类型 |
类别 |
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1 |
热电子影响高能粒子激发阿尔芬本征模的非线性饱和机理 |
叶磊 |
Nuclear Fusion |
2023，63，2，026004 |
论文 |
独立完成 |
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2 |
基于准线性共振展宽的ɑ粒子输运程序开发和应用 |
申伟 |
Nuclear Fusion |
2024，64，1，016008 |
论文 |
第一完成人（非独立完成） |
重要进展1：热电子影响高能粒子激发阿尔芬本征模的非线性饱和机理
在未来聚变堆中，高能量粒子包括聚变产生的ɑ粒子激发的阿尔芬不稳定性如阿尔芬本征模会引起聚变ɑ粒子径向输运并破坏其约束，从而可能破坏反应堆的自持燃烧条件，并可能引起装置内壁的损坏；ɑ粒子粒子的输运系数由阿尔芬不稳定性的幅度决定。因此降低阿尔芬波的饱和幅度有利于提升燃烧等离子体自持加热功率及聚变堆的经济性。目前高能粒子激发阿尔芬本征模非线性饱和机制及其演化发展过程尚不清楚。实验室成员利用大规模回旋动理学粒子模拟结合实验数据，发现热电子的动理学效应可将高能粒子激发的反剪切阿尔芬本征模散射到小尺度湍流，并进而通过电子朗道阻尼实现耗散；特别发现热电子非线性效应可显著降低阿尔芬波的饱和幅度。这项工作对于预测及控制未来燃烧等离子体中高能粒子输运具有重要意义，并为燃烧等离子体的自洽模拟提供了重要的信息。
重要进展2：基于准线性共振展宽的ɑ粒子输运程序开发和应用
在未来的聚变堆中，如何约束氘氚等离子体聚变产生的高能量ɑ粒子是一个很重要的研究方向。实验室团队利用我国自主设计的CFETR装置最新的参数，分析未来聚变装置中阿尔芬不稳定性导致的高能量ɑ粒子输运。首先，我们使用大型回旋动理学GEM给出高能量ɑ粒子激发的阿尔芬本征模的线性不稳定性特征。然后，我们基于准线性共振线展宽模型自主开发了的简化模型程序，并使用该程序研究阿尔芬不稳定性导致的高能量ɑ粒子输运。GEM程序的模拟结果发现CFETR中高能量ɑ粒子可以激发出多支不同环向模数的阿尔芬本征模，其中最不稳定的阿尔芬本征模的环向模数为8。另外，使用所开发的高能量粒子输运程序发现多支阿尔芬本征模会导致高能量ɑ粒子从等离子体芯部向外输运，并且我们发现安全因子最小值以及高能量ɑ粒子比压值对高能量ɑ粒子的输运影响显著，当阿尔芬本征模的线性增长率降低时，其所导致的高能量粒子输运减弱。最后，我们发现安全因子最小值的径向位置会引起高能量ɑ粒子径向输运范围的改变。这些模拟结果对于理解未来聚变堆中高能量ɑ粒子的输运有重要的参考意义；所开发的输运程序可用于反应堆的自主设计和后续优化。
研究方向2: 等离子体自组织演化与调控
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序号 |
成果名称 |
完成人 |
刊物、出版社或授权单位名称 |
年、卷、期、页或专利号 |
类型 |
类别 |
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1 |
发现高能量约束模式（Super I-mode），实现1056秒运行 |
宋云涛 |
Science Advances |
2023，9,eabq5273 |
论文 |
独立完成 |
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2 |
EAST在国际上首次演示类似ITER高增益运行模式下的边界局域模抑制 |
孙有文、何开洋、贾曼妮 |
Nuclear Fusion |
63, 096025 (2023)； 63,076002(2023) 63, 096020 (2023) |
论文 |
独立完成 |
重要进展1：发现高能量约束模式（Super I-mode），实现1056秒运行
I-mode是一种仅具有能量输运垒、不具有粒子输运垒的改善型约束模式，有利于未来聚变堆燃烧等离子体中氦灰的排出。国际主要装置ASDEX-Upgrade、DIII-D、Alcator C-mod都开展了相关物理研究，获得秒量级的I模等离子体。EAST利用已发现的湍动电流产生机制，使用低混杂波（LHW）和电子回旋共振加热（ECRH），驱动等离子体进入具有稳态内部温度垒（ITB）的高电子温度运行区，优化电子密度平台和等离子体位型，主动控制产生边界温度垒（ETB）获得I-mode。通过控制等离子体同时具有ITB和ETB，进一步增强了I-mode约束性能，实现了全新的高约束I-mode（Super I-mode）。面向ITER 1000秒脉冲运行，EAST在总射频波注入功率低于2MW下成功实现了约束因子H98~1.2（与H-mode相当）和1000秒级的Super I-mode运行，说明这一新的Super I-mode适用于未来聚变堆的稳态长脉冲运行。该研究结果获国际稳态运行会议报告邀请，相关论文发表在Science Advances等权威期刊上。
重要进展2：EAST在国际上首次演示类似ITER高增益运行模式下的边界局域模抑制
ITER高聚变增益运行模式计划利用50MW的能量输入获得500MW的能量输出，即Q = 10基准运行模式。这一目标的实现需要在有效控制偏滤器热负荷的同时维持较高的等离子体约束。共振磁扰动作为ITER拟采用的一种控制方案，在ITER高聚变增益的条件下控制边界局域模带来的瞬态热负荷的有效性还未能得到充分验证，在共振磁扰动形成的三维磁场下控制稳态热负荷和杂质的方案也需要进一步优化。
2020年EAST已在接近ITER的低动量注入、低q95以及钨偏滤器条件下率先演示了模数n = 4 的共振磁扰动对边界局域模的完全抑制，但距离等效于ITER Q = 10的运行模式仍有距离。在此成果基础上，实验室孙有文研究员带领团队进一步与ITER科学部负责人Alberto Loarte合作，通过实验和线性等离子体响应模拟，预测了EAST上在接近ITER基准运行模式的q95=3附近可能存在一个抑制窗口，同时发现低边界粒子再循环水平和高归一化等离子体比压是实现该目标的关键，最终成功在EAST射频波加热为主、低动量注入的条件下，首次将n = 4的共振磁扰动抑制边界局域模拓展到更接近ITER高聚变增益运行模式下。实验中所采用的共振磁扰动设置与模拟预测吻合，等离子体能量约束在投入共振磁扰动期间能够维持甚至有所升高，同时芯部钨杂质辐射显著降低，均有利于Q = 10目标的实现。实验中还在q95=4.15～4.75实现了大范围的边界局域模抑制，并通过杂质注入和混合谱共振磁扰动实现了对偏滤器稳态热负荷的有效控制。为了进一步理解外加共振磁扰动形成的三维场相关的物理图像，团队通过自主开发的NTVTOK程序的模拟，验证了共振磁扰动引起的新经典粘滞效应在旋转调控中起到了关键作用，并应用到对于ITER低动量注入条件下基于已有平衡位型和真实线圈结构的旋转模拟，同时扩展了三维新经典环向黏滞理论在杂质输运方面的应用。
这些成果进一步支持了ITER将来应用n = 4共振磁扰动的方案，相关实验和模拟分析验证和扩展了三维新经典输运理论，有利于进一步理解边界局域模控制的物理机理，以便优化将来ITER上共振磁扰动的应用。
研究方向3: 聚变新途径新模式
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序号 |
成果名称 |
完成人 |
刊物、出版社或授权单位名称 |
年、卷、期、页或专利号 |
类型 |
类别 |
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1 |
KTX三维物理研究 |
兰涛 |
国际原子能机构聚变能大会综述报告 |
2023年10月 |
会议报告 |
独立完成 |
重要进展1：KTX三维物理研究
研究针对KTX装置的欧姆加热系统开展加热能力和平衡控制升级，研制了太赫兹微波偏振干涉仪、双膜软X射线三维阵列等三维诊断系统，研发完成了KTX上的三维主动控制系统。最终实现峰值电流达到500kA，实现反场箍缩等离子体中主要不稳定模式的实时控制，将KTX建设成为开展三维物理研究实验的重要平台，且基于KTX发展的高温等离子体关键诊断技术已推广应用至国内外磁约束聚变实验装置。
成果获2023年秋季物理年会等离子体分会邀请报告， 2023年中国聚变能大会多途径磁约束分会邀请报告，并在2023年国际原子能最重要会议聚变能大会(IAEA FEC)上做装置邀请综述报告。