尋找能夠滿足全球需求的可持續能源仍是當前最緊迫的科學挑戰之一。核聚變作為一種清潔且幾乎取之不盡的能源解決方案，備受科學界關注。其中，基于托卡馬克的聚變反應堆設計在利用磁場約束等離子體方面處于領先地位。然而，保持等離子體邊緣穩定性對于推進核聚變發電廠至關重要，而邊緣局部模式(ELM)引發的破壞成為當前托卡馬克裝置面臨的一大難題。
ITER作為目前在法國卡達拉舍建造的世界上最大的托卡馬克裝置，其核心目標便是實現有效的等離子體約束。然而，ELM引起的磁流體動力波類似于太陽耀斑，會導致大量能量和粒子損失，對未來反應堆中面向等離子體的部件造成不可接受的侵蝕和熱通量水平。
近日，一項國際研究合作在德國加興馬克斯普朗克等離子體物理研究所的ASDEX Upgrade托卡馬克上取得了重要進展。該研究結合了實驗工作、建模和模擬，深入研究了高能離子如何影響ELM，并揭示了它們行為的新見解。
研究人員使用一種名為MEGA的混合計算工具，模擬了ELM與高能粒子之間的自洽相互作用。通過將模擬結果與實驗數據進行比較，他們發現ELM與高能粒子之間的共振能量交換機制是關鍵的相互作用過程。這種共振交換解釋了磁診斷和快離子損失檢測器中觀察到的ELM特征之間的相似性。
該研究的主要作者Jesus Jose Dominguez-Palacios Duran解釋說：“在我們的研究中，我們證明了高能離子動力學效應可以改變邊緣局部模式的時空結構。這種效果類似于沖浪者乘風破浪，沖浪者在沖浪時會在波浪上留下足跡。在等離子體中，高能粒子與MHD波(ELM)相互作用，并可以改變其時空模式。我們的研究結果對優化ELM控制技術具有重要意義。”
這項研究成果已發表在《自然物理學》雜志上，標志著一個重要的里程碑，首次詳細了解了高能離子與ELM之間的相互作用。研究結果表明，ITER可能會經歷ELM和高能離子之間的強烈能量和動量交換，為優化ELM控制方法提供了寶貴的見解。
據悉，這項研究得到了歐洲研究理事會、EUROfusion聯盟、西班牙科學、創新和大學部以及安達盧西亞政府的資助。
