北京大学磁约束热核聚变研究取得重要进展

作为最有希望的新能源技术，磁约束聚变装置托卡马克需要在高约束模式下才能获得足够的能量增益。但高约束模式带来的一个严重问题是边缘局域模不稳定性的周期性爆发。这种等离子体喷发现象会严重灼蚀托卡马克第一壁材料，不利于未来聚变堆的稳态运行。这是目前国际ITER项目急需解决的难题。所以研究理解边缘局域模的发生原理并给出其爆发判据是国际磁约束聚变研究的一个热点问题。

最近北京大学物理学院等离子体物理与聚变研究所博士生席鹏伟(第一作者)与美国科学家、北京大学客座教授徐学桥、P. H. Diamond合作，通过数值模拟研究了边缘局域模的爆发过程。他们发现在线性不稳定性增长到足够触发边缘局域模的强度之前，基于相位扰动的波-波相互作用已经发生，并且会限制线性不稳定的增长时间。这表明边缘局域模的爆发过程是完全非线性的，而非以往认为的线性过程(见图1)。该结果进而证明了原来广泛使用的线性不稳定性判据是非线性判据的一种极限情况，并给出了边缘局域模爆发的非线性判据。该工作证明了边缘等离子体湍流与边缘局域模的爆发之间存在密切关联，并表明通过调节等离子体湍流可以起到控制边缘局域模的效果，因此该结果为实验上存在的边缘局域模控制手段提供了新的潜在理论解释。席鹏伟曾在2013年美国物理学会等离子体物理分会年会上的特邀报告中介绍该结果，引起了国际同行的高度关注。

(a)(b)(c)不考虑非线性作用时，边缘局域模的爆发过程;(d)(e)(f)考虑了非线性相互作用时，边缘局域模并没有发生。

该项成果发表在近期出版的《物理评论快报》上(Phys. Rev. Lett. 112, 085001，2014)，并得到了国家自然科学基金、国家磁约束聚变能发展研究专项、北京大学以及美国能源部和韩国“世界一流研究所”(WCI)基金的支持。（北京大学）