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研究快讯 | 面向稳态托卡马克聚变堆改善高极向比压等离子体约束性能的新途径

已有 1580 次阅读 2020-6-18 07:05 |系统分类:论文交流

原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 6 March 2020;

online 25 March 2020

EXPRESS LETTER

A New Path to Improve High βp Plasma Performance on EAST for Steady-State Tokamak Fusion Reactor

Baonian Wan(万宝年) and the EAST team

Chin. Phys. Lett. 2020, 37 (4): 045202

文章亮点

实验上首次发现高密度梯度有助于改善高极向比压下的等离子体约束性能，并与未来聚变等离子体电子加热主导、低动量注入、低碰撞率等物理条件相兼容。

面向稳态托卡马克聚变堆改善高极向比压等离子体约束性能的新途径

研究背景

托卡马克高约束稳态运行关系到未来聚变反应堆长时间连续运行的经济可行性。高极向比压（βp）等离子体具有高自举电流份额，可以大大降低对外部电流驱动功率的需求，从而成为最有吸引力的托卡马克高约束稳态运行模式。尽管国际上高极向比压等离子体的研究取得了积极的进展，但与未来国际热核聚变实验堆-ITER预期的稳态运行方案仍存在很大差距，特别是如何在聚变堆电子加热主导、低动量注入等物理条件下，进一步改善约束、实现高极向比压等离子体并维持长时间的稳定运行，仍然是国际磁约束聚变研究领域最重大的挑战之一。针对未来ITER和中国聚变工程试验堆（CFETR）的稳态运行方案，EAST团队致力于稳态托卡马克相关的科学研究。通过研究射频波加热、电流驱动和不同射频波间的协同效应等物理过程，探索降低输运、改善等离子体能量约束的途径，以期获得具有高约束性能的运行模式，进而实现更高份额的自举电流，为未来ITER、CFETR的稳态运行提供研究积累和物理依据。

研究内容

最近，中国科学院等离子体物理研究所万宝年团队首次在EAST装置上发现，高密度梯度有助于增强高极向比压下的Shafranov致稳效应，进一步改善等离子体能量约束、提高自举电流份额。该工作在EAST实验中通过多种加热方式的组合(每种组合下实现相同的极向比压固化了旋转和Shafranov位移对湍流的致稳效应)，突显了密度梯度在等离子体约束改善中的作用，揭示了高极向比压下进一步降低湍流输运、提高约束的机理。实验在可实现的密度梯度变化范围内，特别是在全射频波电子加热、无外部动量注入条件下，通过提高密度梯度等离子体约束性能提高了20%-30%。基于这项研究，EAST装置最近获得了维持时间达60秒、约束改善因子H98y2大于1.3的高极向比压、高约束性能的完全非感应等离子体。

研究意义及重要性

EAST上的这一实验发现，一方面与未来聚变等离子体电子加热主导、低动量注入等物理条件相兼容，另一方面，未来聚变堆由于更低的等离子体碰撞率将更易实现高的密度梯度，这一机制带来的致稳效应将更强。物理上这一发现可应用于未来稳态托卡马克聚变堆，为实现更高的约束、更大的自举电流份额提供了一个潜在的新途径。

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