近日，beat365英国官网网站等離子體物理專業助理教授胡地與合作者們在托卡馬克裝置中的破裂防護方面的研究取得重要進展，相關系列工作發表在磁約束聚變領域頂級期刊Nuclear Fusion與Physics of Plamsas上。該系列工作為beat365英国官网网站beat365英国官网网站助理教授胡地與法國替代能源與原子能機構（CEA）的E. Nardon研究員以及德國普朗克等離子體物理研究院（IPP）的M. Hoelzl研究員等國際知名專家共同合作的結果。

托卡馬克位形是目前最有希望實現商用聚變能源的磁約束聚變位形。在托卡馬克裝置運行過程中，由于等離子體自發的不穩定性或者外界因素的影響，托卡馬克等離子體可能會出現所謂的破裂現象。在這一過程中等離子體中存儲的能量會快速、局域地沉積到裝置面等離子體材料上，對其造成嚴重的損傷，甚至危及裝置的持續運行。因此，對破裂事件的防護與緩解機制的研究是穩定、可持續的聚變能源能否實現重中之重。胡地博士采用理論與數值模拟并重的方法開發了研究基于大量粒子注入實現破裂防護的大規模數值模拟模塊，并與合作者在這方面展開了系統的研究。研究發現注入粒子會導緻在安全因子為有理數的磁面上産生螺旋形的冷卻結構并導緻相應的螺旋對稱電流密度擾動，從而導緻與該磁面共振的電流驅動磁流體不穩定性解穩。失穩的宏觀磁流體模式又會反過來強化注入粒子的輸運，增加注入粒子的穿深，有助于注入粒子均勻地分布在等離子體中從而提高破裂防護的效率。

胡地博士與合作者們進而發現，利用上述注入粒子與磁流體模式的相互作用，托卡馬克破裂防護系統可以控制破裂防護的具體過程。如可以先注入冷卻效果較弱的氫同位素，使得等離子體密度上升，有利于防止破裂後逃逸電子電流的産生；然後注入大量雜質粒子以防護等離子體熱流對裝置壁的損害。

針對破裂熱猝滅期間的熱流防護效率問題。胡地博士發現多環向位置同時粒子注入能夠在較為合理的參數區間内有效地提高注入雜質粒子輻射功率密度的均勻性，從而避免輻射能流在裝置壁上局域的沉積效果，顯著提高破裂防護效率。同時，多位置同時諸如下注入粒子與磁流體模式的相互作用也體現出與單一位置注入時不同的對稱特征。近日，上述成果以“Radiation asymmetry and MHD destabilization during the thermal quench after impurity Shattered Pellet Injection”為題發表在Nuclear Fusion上，相關系列工作也已于今年分别發表在Nuclear Fusion與Physics of Plasmas上。該系列研究對完善托卡馬克等離子體中的破裂防護機制、保證托卡馬克裝置長期、穩定運行有重要意義。相關工作得到了國家自然科學基金委支持。

主要合作者簡介：

E. Nardon,法國替代能源與原子能機構（CEA）研究員，ITER破裂防護任務組科學負責人

M. Hoelzl，德國普朗克等離子體物理研究院（IPP）研究員，磁流體與快粒子研究組副主任

G.T.A. Huijsmans，荷蘭埃因霍溫理工大學教授，ITER科學專家顧問會會員

M. Lehnen，ITER組織，ITER破裂緩解防護任務組主席

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