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近日，马克斯·普朗克等离子体物理研究所（IPP）研究团队在ASDEX Upgrade托卡马克装置上进行共振磁扰动（RMP）抑制边界局域模不稳定性（ELM）的实验过程中，用高时空分辨的电子回旋辐射诊断，在等离子体边界台基的顶部区域，首次清晰地观测到小磁岛的形成，为磁岛导致ELM抑制的理论提供了关键的实验证据。该项研究成果已于10月28日在《Nature Physics》上公开发表。
针对这一前沿动态，中科院等离子体物理研究所的徐国盛和孙有文研究员于11月13日在《Nature Physics》上刊发了一篇专题评论，认为这一新的实验发现可能为磁约束聚变研究领域持续了20多年的RMP抑制ELM的物理机制之谜提供重要线索。以下为专题评论文章内容：
RMP的早期发展与研究进展
近年来，托卡马克受控核聚变一直被视为未来清洁聚变能源的重要技术方式之一。然而，高约束模等离子体中爆发的边界局域模不稳定性（ELM）被认为是托卡马克安全稳态运行的首要威胁。ELM导致边界输运垒周期性崩塌，并瞬间释放出巨大的粒子和能量，对反应堆的内壁造成损害并缩短装置寿命。为了应对这一挑战，科学家们开发了共振磁扰动（RMP）技术，通过小幅度的三维磁场扰动来改变等离子体边界的磁拓扑结构，从而抑制ELM。然而，RMP抑制ELM的工作窗口非常狭窄，20多年来人们对其作用机制也一直未形成共识，多种理论模型争论不休，成为磁约束聚变领域的一个急迫且严峻的课题。
共振磁扰动技术最早应用于DIII-D托卡马克装置中，通过在等离子体边界施加微弱的三维随机磁场来扰乱其轴对称性。科学家在多个托卡马克装置中进行了实验，证明了RMP在一定条件下能够完全抑制ELM。早期对于RMP抑制ELM的物理机制研究主要基于真空磁场的理论模型，这些模型认为RMP产生随机磁场以增强边界等离子体的径向传输，进而增强等离子体粒子和热量的向外输运，来降低台基区域的压力梯度从而避免ELM的爆发。理论上，由于沿着磁力线的电子热导很大，随机磁场会导致边界台基电子温度的下降，然而实验上却并未观察到台基电子温度的下降，而是台基密度的下降，粒子的排出效应。理论与实验的矛盾促使科学家们重新审视RMP的作用机理。
磁岛抑制ELM的新解释
新的解释认为RMP并未在等离子体边界台基陡峭梯度区生成完全随机的磁场，而是在边界台基顶部形成了一系列微小的磁岛结构。在ASDEX Upgrade装置上通过施加不同相位的RMP磁场，并利用高时空分辨的电子回旋辐射技术观测等离子体中的温度变化。实验结果显示，当RMP成功抑制ELM时，在等离子体边界台基顶部首次观察到了宽度约1厘米的磁岛结构。
图中的颜色表示托卡马克等离子体表面的 3D 变形（红色表示向外凸起，蓝色表示向内压痕），这是由扰动线圈（黑色线圈）引起的。此外，还生成了一个小的磁岛，其结构使用高分辨率电子温度测量成功检测到。
研究人员认为，在RMP作用下，等离子体的边界产生一种“扭曲响应”，导致磁通面发生轻微的弯曲。等离子体会对外加的磁扰动产生强烈的屏蔽效应，抵御RMP扰动磁场的渗透。然而，在等离子体边界台基的顶部，屏蔽效应相对较弱，使得RMP能够渗透到这个区域，导致磁岛的形成。磁岛阻止了台基陡峭梯度区进一步向内扩展，从而破坏了ELM不稳定性的产生条件。
对未来受控核聚变装置的影响
RMP抑制ELM的物理机制探索对ITER等未来核聚变装置的设计和运行具有重要意义。ITER计划在运行时利用RMP来抑制ELM，但其成功实施依赖于对RMP抑制ELM机制的深入理解，该研究成果为ITER提供了理论支持。未来的研究需要进一步关注RMP与等离子体的相互作用，包括磁岛的具体尺寸、位置以及对粒子、能量输运的影响，以便提高ELM抑制的可靠性和能量约束效率。此外，RMP技术在实际应用中可能面临能量约束性能下降的问题。需要在优化RMP设计时平衡ELM抑制效果和能量约束性能，避免因过度削弱台基压强而影响等离子体的芯部能量约束。这些物理上的优化将有助于ITER和未来核聚变电站的稳定高效运行，为人类实现受控核聚变迈出重要一步。
参考链接：
https://www.ipp.mpg.de/5463616/magnet_inseln_Willensdorfer?c=5405906
https://www.nature.com/articles/s41567-024-02666-y
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