中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所在2012年實驗中獲得了超過30秒的長脈沖“高約束模式”（H模）等離子體，創(chuàng)造了新的“H模”長度世界紀(jì)錄。為了解釋維持長脈沖“H模”的機(jī)理，徐國盛研究員帶領(lǐng)課題組經(jīng)過一年多的研究，取得了新進(jìn)展。他們在“H模”等離子體邊界觀察到一種新的靜電準(zhǔn)相干模，并首次獲得準(zhǔn)相干模排出粒子和熱的直接實驗證據(jù)。相關(guān)成果最近發(fā)表在國際物理學(xué)期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。
如何在托卡馬克裝置中長時間維持“高約束模式”（H模）是核聚變研究當(dāng)前面臨的一個主要難題。要維持“H模”，需要在等離子體邊界區(qū)域有某種輸運方式，持續(xù)不斷地排出粒子和熱，否則雜質(zhì)粒子和能量就會不斷積累，最終導(dǎo)致高約束狀態(tài)終止。通常伴隨“H模”出現(xiàn)的“邊界局域模”，雖然能起到排出粒子和熱的作用，但是其帶來的瞬態(tài)熱負(fù)荷，會嚴(yán)重侵蝕面對等離子體的器壁材料，是目前任何材料所不能承受的。因此，要實現(xiàn)聚變能就必須找到一種在等離子體邊界區(qū)域持續(xù)性排出粒子和熱的方式。
等離子體所的科研人員在長脈沖“H模”等離子體邊界的陡峭壓力梯度區(qū)域，觀察到一種新的靜電準(zhǔn)相干模，其頻率接近當(dāng)?shù)仉娮幽娲牌祁l率，在等離子體坐標(biāo)系下沿電子逆磁漂移方向傳播。為了實現(xiàn)對準(zhǔn)相干模驅(qū)動的徑向粒子通量和熱通量的直接實驗測量，他們首次在托卡馬克裝置上使用了金剛石鍍膜的探針，伸到了等離子體邊界區(qū)域，獲得了準(zhǔn)相干模驅(qū)動徑向朝外的粒子輸運和熱輸運的關(guān)鍵實驗證據(jù)，證明了準(zhǔn)相干模對于長脈沖“H模”的維持起到了至關(guān)重要的作用。此外，他們使用了新研制的具有上下對稱觀測區(qū)域的充氣成像系統(tǒng)，實現(xiàn)了對準(zhǔn)相干模兩維精細(xì)空間結(jié)構(gòu)的直接觀測。與此同時，他們使用了大型回旋動力學(xué)數(shù)值模擬程序，對準(zhǔn)相干模的物理性質(zhì)及產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了研究。模擬結(jié)果顯示，這種準(zhǔn)相干模具有耗散俘獲電子模的特征，對于理解它在什么情況下會出現(xiàn)，及為什么會驅(qū)動徑向朝外的輸運具有重要的理論指導(dǎo)意義。這種新的靜電準(zhǔn)相干模的發(fā)現(xiàn)，可能為核聚變裝置中維持穩(wěn)態(tài)高約束等離子體提供一種新的途徑。
背景：核聚變能源清潔、安全且燃料取之不盡用之不竭，被認(rèn)為是取代化石能源、徹底解決環(huán)境污染問題的理想能源形式。托卡馬克是產(chǎn)生核聚變反應(yīng)的一種裝置。核聚變目前仍然處于研發(fā)階段。正在法國建造中的“國際熱核聚變實驗堆”（ITER），預(yù)計2020年建成，試圖實現(xiàn)“自持燃燒”，即像煤球爐那樣，點燃后，聚變反應(yīng)產(chǎn)生的熱足以把燃料加熱到核反應(yīng)所需的溫度，不再需要外界輔助加熱。
