近期，中科院合肥研究院电浆所與中國科大核學院聯合培養的博士生石生宇在集成類比EAST芯部重雜質的輸運及其對电浆效能影響的研究中取得重要進展。相關一系列成果近期發表在Nuclear Fusion期刊上。
帶有內部輸運壘的高性能H-mode放電具有很多優良特性，使其成為未來托卡馬克聚變堆可選擇的運行模式之一。而內部輸運壘的產生機制因取決於許多因素導致較為複雜。在EAST混雜運行模式實驗中（X. Gao et al 2020 Nucl. Fusion 60 102001），已經實現了在溫度和密度通道中同時形成的內部輸運壘，然而形成這種多通道的內部輸運壘的物理機制還沒有被完全理解，而多通道集成預測類比則有助於更好地理解形成內部輸運壘的關鍵物理。此前，科研人員在多通道集成預測類比帶有溫度、密度和環向旋轉三個通道的內部輸運壘的放電中取得新的研究進展，相關成果發表在Nuclear Fusion期刊上（Shengyu Shi et al 2021 Nucl. Fusion 61 126055）。
重金屬資料，如鉬和鎢，由於具有低濺射率、低氚滯留率和高熔點等優良效能，可用作熱核聚變反應裝置的面向电浆元件。然而，由於在熱核聚變反應溫度下，非完全電離的鎢和其他重/高電荷（Z）雜質粒子的線輻射率很大，它們在电浆芯部的累積可能會顯著冷卻电浆，惡化电浆效能，導致高約束模式（H-mode）向低約束模式（L-mode）轉變，甚至進一步崩塌。囙此，在熱核聚變电浆中，理解芯部重/高Z雜質的輸運、研究它們對电浆效能的影響以及控制它們在等離子芯部的積累對於聚變裝置穩定運行是非常重要的。為了確定EAST高約束模式中电浆芯部重雜質鎢的輸運的主要機理，研究團隊首次系統地分析並類比了帶有類似ITER偏濾器比特形的EAST混合運行模式（hybrid mode scenario）和完全非感應運行模式（fully non-inductive mode scenario）的芯部鎢輸運的行為。在EAST混合運行模式放電中，經常觀察到鎢的累積，同時結合背景电浆參數的演化，發現當背景电浆芯部的環向旋轉速度和密度峰值較大時，特別容易發生鎢的積累。通過新經典輸運程式NEO和湍流輸運程式TGLF類比鎢芯部輸運再現了實驗觀測的結果，並確定了背景电浆的高密度峰值和大的中心區域的環形旋轉速度導致的鎢的新經典向內對流速度是鎢積累的主要原因之一。
此外，研究團隊還分析了芯部重雜質對EAST等離子效能的影響，發現當重雜質在EAST芯部積累到一定程度時，可能會引起撕裂模，導致电浆進一步的崩塌。然而，在EAST完全非感應運行模式放電中，鎢通常可以得到很好的控制。通過分析背景电浆參數和類比鎢的輸運，發現與混合運行模式相反，在這種完全非感應運行模式條件下，電子的溫度以及其峰值通常較高，而背景电浆的環向旋轉和密度峰值較小。類比的鎢湍流擴散係數足够大，足以抵消總的湍流和新經典對流速度，囙此零粒子通量的鎢徑向密度分佈不會達到很高的峰值。研究團隊還提供了兩種方法來控制EAST芯部鎢積累，即通過使用反向中性束注入來减小環向旋轉速度以及在軸的電子迴旋共振加熱來提高電子溫度，並分析了這兩種方法在EAST上控制重雜質鎢積累的物理機制。上述工作驗證了之前CFETR雜質輸運模型的可靠性，對於將來ITER的輸運研究以及重雜質控制有重要的參攷意義。
該成果是中科院合肥研究院电浆所、中國科大以及國際同行長期廣泛開展合作交流的研究成果，合作者包括法國原子能委員會聚變研究所Clarisse Bourdelle博士、美國通用原子能公司Vincent S. Chan教授和Tomá？Odstr？il博士、加州大學聖地牙哥分校簡翔博士、电浆所陳佳樂副研究員、張淩研究員等人。該研究受到國家重點研發計畫、國家自然科學基金以及國家磁約束核聚變能發展研究專項等項目的資助。
