2020-06-26 08:58 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
大連理工大學物理學院孫繼忠教授課題組與國際聚變能組織（ITER）科學部門負責人Alberto Loarte博士、ITER鎢偏濾器和壁與等離子體相互作用部門Xavier Bonnin博士、中科院等離子體物理研究所胡建生研究員團隊合作在國際聚變界頂級期刊《Nuclear Fusion》上發表了研究論文《Numerical simulation of Li-pellet injection experiments for ELM-pacing in EAST》。該研究通過創新性地構建同時包含彈丸消融與等離子體輸運過程的耦合模型，針對固體顆粒彈丸進入到聚變等離子體後與等離子體相互作用的物理過程開展了數值模擬研究。模擬結果系統性地解釋了實驗發現的注入鋰彈丸激發邊緣局域模(ELMs)的不確定性現象。該研究對於進一步闡釋彈丸激發ELMs的物理機制具有重要意義。
在磁約束聚變裝置託卡馬克運行時，ELMs會周期性地排出大量粒子和能量，這一現象會嚴重破壞等離子體約束性能，並大幅縮短裝置器壁壽命。隨著實驗技術的發展，使用高頻彈丸注入調控ELMs頻率、進而降低ELMs幅值的方法已成為控制ELMs的重要研究方向。EAST實驗發現，當注入速度一定時，觸發ELMs的彈丸尺寸閾值存在不確定性，ELMs的觸發成功率隨著彈丸尺寸的減小和注入頻率的增大呈現複雜變化。這一實驗現象急需通過開展相應的模擬工作對其進行解釋。此外，過去關於該領域的模擬研究多著重於彈丸的消融過程或者採用假設的消融源分布來討論粒子輸運，沒有將二者有機地結合起來，因此都不能給出自洽的模擬結果。
圖1 彈丸粒子空間分布和EAST裝置上CCD攝像機照片的對比圖
針對以上難點，該研究克服了耦合模擬的技術難點，將尺寸、頻率等彈丸參數與等離子體壓強剖面直接聯繫起來，首次構建了同時包含彈丸消融與等離子體輸運兩個物理過程的耦合模型，並針對固體顆粒彈丸進入到聚變等離子體後的彈丸燒蝕和雜質輸運過程開展數值模擬。該研究主要得到如下結論：(1)各價態粒子的分布與含時演化；(2)彈丸注入觸發ELMs的參數閾值——擾動後的臺基區壓強與未擾動時的比值達到1.8~2.4；(3)對彈丸注入觸發ELMs的概率性行為的合理解釋——在單次注入多個小尺寸彈丸的情況下，臺基區壓強也可以得到明顯提升；(4)與實驗結果相吻合的彈丸觸發ELMs效率的模擬結果。
圖2 彈丸進入等離子體後的燒蝕過程（按時間順序先左上到右下排列，模擬等離子體區域為淺藍色背景，虛線表示分形線（芯部和刮削層兩區域的分界線）的位置）
《Nuclear Fusion》是國際公認的聚變領域權威期刊，涵蓋了與受控熱核聚變相關的理論、實驗研究等廣泛內容。
該工作得到了國家自然科學基金(11575039, 11505022, 11625524)和國家重點研發計劃(2017YFE0301100, 2017YFA0402500)的資助。
第一作者：高放(博士研究生，大連理工大學物理學院)
通訊作者：孫繼忠(教授，大連理工大學物理學院)
主要合作者：A. Loarte (ITER總部，科學部負責人)、X. Bonnin (ITER總部，計算物理學家)、胡建生(中科院等離子體物理研究所副所長，傑青)、孫震(中科院等離子體物理研究所，現普林斯頓大學PPPL國家實驗室客座研究人員)
論文連結：https://doi.org/10.1088/1741-4326/ab8340
新聞來源：大工新聞網
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