作為最有希望的新能源技術(shù)，磁約束聚變裝置托卡馬克需要在高約束模式下才能獲得足夠的能量增益。但高約束模式帶來的一個(gè)嚴(yán)重問題是邊緣局域模不穩(wěn)定性的周期性爆發(fā)。這種等離子體噴發(fā)現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重灼蝕托卡馬克第一壁材料，不利于未來聚變堆的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這是目前國際ITER項(xiàng)目急需解決的難題。所以研究理解邊緣局域模的發(fā)生原理并給出其爆發(fā)判據(jù)是國際磁約束聚變研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。

最近北京大學(xué)物理學(xué)院等離子體物理與聚變研究所博士生席鵬偉(第一作者)與美國科學(xué)家、北京大學(xué)客座教授徐學(xué)橋、P. H. Diamond合作，通過數(shù)值模擬研究了邊緣局域模的爆發(fā)過程。他們發(fā)現(xiàn)在線性不穩(wěn)定性增長到足夠觸發(fā)邊緣局域模的強(qiáng)度之前，基于相位擾動(dòng)的波-波相互作用已經(jīng)發(fā)生，并且會(huì)限制線性不穩(wěn)定的增長時(shí)間。這表明邊緣局域模的爆發(fā)過程是完全非線性的，而非以往認(rèn)為的線性過程(見圖1)。該結(jié)果進(jìn)而證明了原來廣泛使用的線性不穩(wěn)定性判據(jù)是非線性判據(jù)的一種極限情況，并給出了邊緣局域模爆發(fā)的非線性判據(jù)。該工作證明了邊緣等離子體湍流與邊緣局域模的爆發(fā)之間存在密切關(guān)聯(lián)，并表明通過調(diào)節(jié)等離子體湍流可以起到控制邊緣局域模的效果，因此該結(jié)果為實(shí)驗(yàn)上存在的邊緣局域模控制手段提供了新的潛在理論解釋。席鵬偉曾在2013年美國物理學(xué)會(huì)等離子體物理分會(huì)年會(huì)上的特邀報(bào)告中介紹該結(jié)果，引起了國際同行的高度關(guān)注。

(a)(b)(c)不考慮非線性作用時(shí)，邊緣局域模的爆發(fā)過程;(d)(e)(f)考慮了非線性相互作用時(shí)，邊緣局域模并沒有發(fā)生。

該項(xiàng)成果發(fā)表在近期出版的《物理評論快報(bào)》上(Phys. Rev. Lett. 112, 085001，2014)，并得到了國家自然科學(xué)基金、國家磁約束聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)、北京大學(xué)以及美國能源部和韓國“世界一流研究所”(WCI)基金的支持。（北京大學(xué)）