大连理工大学物理学院孙继忠教授课题组与国际聚变能组织（ITER）科学部门负责人Alberto Loarte博士、ITER钨偏滤器和壁与等离子体相互作用部门Xavier Bonnin博士、中科院等离子体物理研究所胡建生研究员团队合作在国际聚变界顶级期刊《Nuclear Fusion》上发表了研究论文《Numerical simulation of Li-pellet injection experiments for ELM-pacing in EAST》。该研究通过创新性地构建同时包含弹丸消融与等离子体输运过程的耦合模型，针对固体颗粒弹丸进入到聚变等离子体后与等离子体相互作用的物理过程开展了数值模拟研究。模拟结果系统性地解释了实验发现的注入锂弹丸激发边缘局域模(ELMs)的不确定性现象。该研究对于进一步阐释弹丸激发ELMs的物理机制具有重要意义。
在磁约束聚变装置托卡马克运行时，ELMs会周期性地排出大量粒子和能量，这一现象会严重破坏等离子体约束性能，并大幅缩短装置器壁寿命。随着实验技术的发展，使用高频弹丸注入调控ELMs频率、进而降低ELMs幅值的方法已成为控制ELMs的重要研究方向。EAST实验发现，当注入速度一定时，触发ELMs的弹丸尺寸阈值存在不确定性，ELMs的触发成功率随着弹丸尺寸的减小和注入频率的增大呈现复杂变化。这一实验现象急需通过开展相应的模拟工作对其进行解释。此外，过去关于该领域的模拟研究多着重于弹丸的消融过程或者采用假设的消融源分布来讨论粒子输运，没有将二者有机地结合起来，因此都不能给出自洽的模拟结果。
图1 弹丸粒子空间分布和EAST装置上CCD摄像机照片的对比图
针对以上难点，该研究克服了耦合模拟的技术难点，将尺寸、频率等弹丸参数与等离子体压强剖面直接联系起来，首次构建了同时包含弹丸消融与等离子体输运两个物理过程的耦合模型，并针对固体颗粒弹丸进入到聚变等离子体后的弹丸烧蚀和杂质输运过程开展数值模拟。该研究主要得到如下结论：(1)各价态粒子的分布与含时演化；(2)弹丸注入触发ELMs的参数阈值——扰动后的台基区压强与未扰动时的比值达到1.8~2.4；(3)对弹丸注入触发ELMs的概率性行为的合理解释——在单次注入多个小尺寸弹丸的情况下，台基区压强也可以得到明显提升；(4)与实验结果相吻合的弹丸触发ELMs效率的模拟结果。
图2 弹丸进入等离子体后的烧蚀过程。按时间顺序先左上到右下排列，模拟等离子体区域为浅蓝色背景，虚线表示分形线（芯部和刮削层两区域的分界线）的位置。
《Nuclear Fusion》是国际公认的聚变领域权威期刊，涵盖了与受控热核聚变相关的理论、实验研究等广泛内容。
该工作得到了国家自然科学基金(11575039, 11505022, 11625524)和国家重点研发计划(2017YFE0301100, 2017YFA0402500)的资助。
第一作者：高放(博士研究生，大连理工大学物理学院)
通讯作者：孙继忠(教授，大连理工大学物理学院)
主要合作者：A. Loarte (ITER总部，科学部负责人)、X. Bonnin (ITER总部，计算物理学家)、胡建生(中科院等离子体物理研究所副所长，杰青)、孙震(中科院等离子体物理研究所，现普林斯顿大学PPPL国家实验室客座研究人员)
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