1月6日，最新一期《Natural Physics》期刊發表了西班牙塞維利亞大學的科研團隊的一項研究成果，揭示了高能離子對托卡馬克等離子體邊緣局域模(ELMs)產生的影響。論文題目為《Effect of energetic ions on edge-localized modes in tokamak plasmas》。
在國際熱核聚變實驗堆(ITER)等托卡馬克聚變裝置中，高約束模式(H-mode)被認為是最高效和有前景的運行模式。但是，H模在有效提高約束性能的同時也伴隨著其它等離子體物理問題，比較典型的就是容易產生各種磁流體不穩定性，其中就包括了周期性爆發的邊緣局域模(Edge Localized Modes，ELMs)。
雖然ELMs有利于控制等離子體密度和排出雜質粒子，從而實現H模放電的穩態運行，但由于其爆發時攜帶了的大量粒子和能量會對裝置的第一壁材料造成很大的損壞。因此，研究ELMs的相關物理問題成為很多實驗與模擬的關注點。
聚變反應過程中會產生大量的高能離子，如聚變產生的α粒子以及通過中性束注入(NBI)加熱等手段引入的高能離子。這些高能離子在等離子體中扮演著重要的角色，它們不僅攜帶了聚變反應產生的能量，還通過與等離子體的相互作用影響等離子體的約束性能和穩定性。然而，高能離子與ELMs之間的相互作用機制尚不完全清楚。
研究采用了非線性混合動力學-磁流體動力學(MHD)模擬的方法，利用MEGA代碼模擬了存在實際高能離子分布時的ELM崩潰過程。
研究團隊首先根據ASDEX Upgrade(德國IPP的托卡馬克裝置，感興趣的讀者可以查閱：德國最大的托卡馬克實驗裝置：ASDEX Upgrade)的實驗數據，設定了等離子體平衡、熱粒子輪廓和偏軸NBI高能粒子分布等初始條件。然后，通過調整模擬參數，如高能離子的注入能量等，研究了不同條件下ELMs與高能離子之間的相互作用。
在模擬過程中，研究團隊詳細分析了ELMs的時空結構、頻率演化以及與高能離子的能量和動量交換過程。研究發現，在高能離子動力學效應存在的情況下，ELMs的擾動結構在徑向上擴展到內區并強烈剪切，導致快離子在較大的等離子體半徑上重新分布。此外，高能離子與ELMs之間的波-粒共振相互作用顯著影響了ELMs的頻率和幅度，使其在非線性階段呈現出更高的頻率和更復雜的時空演化特征。
本研究取得了多項發現，為理解ELMs與高能離子相互作用的物理機制提供了新的見解：
1.高能離子對ELMs時空結構的影響
研究發現，高能離子的存在顯著改變了ELMs的時空結構。在沒有高能離子的情況下，ELMs主要表現為邊緣區域的局部擾動，而在高能粒子動力學效應存在的情況下，ELMs的擾動結構在徑向上擴展到等離子體的內區，形成更為復雜的三維擾動模式。這種徑向擴展的擾動結構導致了快離子在等離子體中的重新分布，使得快離子的能量和動量在更廣泛的區域內與等離子體相互作用，從而影響了等離子體的整體約束性能和穩定性。
2.高能離子與ELMs的能量交換機制
通過模擬分析，研究團隊揭示了高能離子與ELMs之間的能量交換機制。在ELMs崩潰過程中，高能離子與ELMs的電磁擾動發生共振相互作用，導致能量和動量在兩者之間進行有效的交換。具體表現為，在某些時刻，ELMs從高能離子中提取能量，使得ELMs的擾動幅度增大;而在另一些時刻，高能離子則從ELMs中獲得能量，導致ELMs的擾動幅度減小。這種過程不僅影響了ELMs的演化過程，還對高能離子的能量分布和輸運特性產生了重要影響。
3.高能離子對ELMs頻率的影響
研究還發現，高能離子的存在顯著提高了ELMs的頻率。在沒有高能離子的情況下，ELMs的頻率相對較低，主要由等離子體邊緣的壓力梯度和電流梯度決定。然而，在高能離子動力學效應存在的情況下，ELMs的頻率可以提高到200kHz以上。這種頻率的提高主要是由于高能離子與ELMs之間的波-粒共振相互作用導致的，使得ELMs的擾動模式在更短的時間尺度上發生變化。
4.對ITER運行的啟示 研究結果表明，在ITER中，聚變產生的α粒子和NBI注入的高能離子與ELMs之間的相互作用將會更加顯著。
本研究雖然在理解ELMs與高能離子相互作用方面取得了重要進展，但仍存在一些局限性。例如，模擬中使用的等離子體參數和高能離子分布是基于特定實驗條件設定的，可能與ITER實際運行中的復雜情況存在差異。此外，模擬中未考慮等離子體與壁材料相互作用等其他因素對ELMs和高能離子的影響。
未來的研究可以進一步拓展模擬的參數空間，考慮不同運行條件下ELMs與高能離子相互作用的多樣性。同時，結合實驗觀測數據，對模擬結果進行驗證和修正，提高模擬的準確性和可靠性。此外，還可以探索其他可能影響ELMs與高能離子相互作用的因素，如等離子體的湍流特性、雜質離子的影響等，為全面理解聚變等離子體的復雜行為提供更為豐富的理論基礎。
