在全球能源需求日益增長的背景下，開發可持續能源已成為當今最緊迫的科學挑戰之一。核聚變，作為為恒星提供能量的過程，因其清潔且幾乎無限的能源特性而備受矚目。在眾多潛在的聚變能源解決方案中，托卡馬克反應堆被認為是最有前途的方法之一。

然而，托卡馬克反應堆面臨的一個關鍵挑戰是管理等離子體邊緣的不穩定性，這被稱為邊緣局部模式(ELM)。在目前的托卡馬克裝置中，ELM會導致大量粒子和能量損失，對反應堆面向等離子體的部件造成侵蝕，并產生極端熱通量，這對于未來的聚變發電廠來說是不可持續的。

使用 MEGA 代碼模擬的 ASDEX 升級托卡馬克中的 ELM 的 3D 可視化。托卡馬克體積根據 ELM 結構著色。ELM 與高能粒子相互作用，高能粒子的軌道顯示為綠色。圖片來源：圖片改編自 J. Dominguez-Palacios 等人，Nat. Phys. (2024)，CC BY 4.0

為了解決這一挑戰，國際研究團隊結合了實驗、建模和模擬，深入研究了高能粒子對ELM的影響。這項研究是在歐洲核聚變聯盟EUROfusion的框架內完成的，并于2025年1月6日發表在《自然物理學》雜志上。研究團隊利用位于德國加興的馬克斯普朗克等離子體物理研究所的ASDEX Upgrade托卡馬克裝置進行了實驗，并使用名為MEGA的混合代碼進行了模擬。

研究結果表明，ELM的時空結構在很大程度上受到高能粒子群的影響。高能粒子與磁流體波(ELM)之間的相互作用機制是它們之間的共振能量交換。這種相互作用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，同樣地，在等離子體中，高能粒子與ELM相互作用，并可以改變其時空模式。

主要作者Jesús José Domínguez-Palacios Durán表示：“我們的研究結果對于優化ELM控制技術具有重要意義。例如，我們可以使用高能粒子作為主動執行器來控制這些磁流體波。”

這項開創性的工作首次詳細了解了高能離子與ELM之間的相互作用，對于ITER等大型托卡馬克裝置的運行和優化具有重要意義。預計在未來的ITER裝置中，ELM和高能離子之間會發生強烈的能量和動量交換。

該研究的成功不僅為核聚變領域帶來了新的見解，也為實現清潔、可持續的能源未來提供了有力的支持。這項工作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。