1月6日，最新一期《Natural Physics》期刊发表了西班牙塞维利亚大学的科研团队的一项研究成果，揭示了高能离子对托卡马克等离子体边缘局域模(ELMs)产生的影响。论文题目为《Effect of energetic ions on edge-localized modes in tokamak plasmas》。

在国际热核聚变实验堆(ITER)等托卡马克聚变装置中，高约束模式(H-mode)被认为是最高效和有前景的运行模式。但是，H模在有效提高约束性能的同时也伴随着其它等离子体物理问题，比较典型的就是容易产生各种磁流体不稳定性，其中就包括了周期性爆发的边缘局域模(Edge Localized Modes，ELMs)。

虽然ELMs有利于控制等离子体密度和排出杂质粒子，从而实现H模放电的稳态运行，但由于其爆发时携带了的大量粒子和能量会对装置的第一壁材料造成很大的损坏。因此，研究ELMs的相关物理问题成为很多实验与模拟的关注点。

聚变反应过程中会产生大量的高能离子，如聚变产生的α粒子以及通过中性束注入(NBI)加热等手段引入的高能离子。这些高能离子在等离子体中扮演着重要的角色，它们不仅携带了聚变反应产生的能量，还通过与等离子体的相互作用影响等离子体的约束性能和稳定性。然而，高能离子与ELMs之间的相互作用机制尚不完全清楚。

研究采用了非线性混合动力学-磁流体动力学(MHD)模拟的方法，利用MEGA代码模拟了存在实际高能离子分布时的ELM崩溃过程。

研究团队首先根据ASDEX Upgrade(德国IPP的托卡马克装置，感兴趣的读者可以查阅：德国最大的托卡马克实验装置：ASDEX Upgrade)的实验数据，设定了等离子体平衡、热粒子轮廓和偏轴NBI高能粒子分布等初始条件。然后，通过调整模拟参数，如高能离子的注入能量等，研究了不同条件下ELMs与高能离子之间的相互作用。

在模拟过程中，研究团队详细分析了ELMs的时空结构、频率演化以及与高能离子的能量和动量交换过程。研究发现，在高能离子动力学效应存在的情况下，ELMs的扰动结构在径向上扩展到内区并强烈剪切，导致快离子在较大的等离子体半径上重新分布。此外，高能离子与ELMs之间的波-粒共振相互作用显著影响了ELMs的频率和幅度，使其在非线性阶段呈现出更高的频率和更复杂的时空演化特征。

本研究取得了多项发现，为理解ELMs与高能离子相互作用的物理机制提供了新的见解：

1.高能离子对ELMs时空结构的影响

研究发现，高能离子的存在显著改变了ELMs的时空结构。在没有高能离子的情况下，ELMs主要表现为边缘区域的局部扰动，而在高能粒子动力学效应存在的情况下，ELMs的扰动结构在径向上扩展到等离子体的内区，形成更为复杂的三维扰动模式。这种径向扩展的扰动结构导致了快离子在等离子体中的重新分布，使得快离子的能量和动量在更广泛的区域内与等离子体相互作用，从而影响了等离子体的整体约束性能和稳定性。

2.高能离子与ELMs的能量交换机制

通过模拟分析，研究团队揭示了高能离子与ELMs之间的能量交换机制。在ELMs崩溃过程中，高能离子与ELMs的电磁扰动发生共振相互作用，导致能量和动量在两者之间进行有效的交换。具体表现为，在某些时刻，ELMs从高能离子中提取能量，使得ELMs的扰动幅度增大;而在另一些时刻，高能离子则从ELMs中获得能量，导致ELMs的扰动幅度减小。这种过程不仅影响了ELMs的演化过程，还对高能离子的能量分布和输运特性产生了重要影响。

3.高能离子对ELMs频率的影响

研究还发现，高能离子的存在显著提高了ELMs的频率。在没有高能离子的情况下，ELMs的频率相对较低，主要由等离子体边缘的压力梯度和电流梯度决定。然而，在高能离子动力学效应存在的情况下，ELMs的频率可以提高到200kHz以上。这种频率的提高主要是由于高能离子与ELMs之间的波-粒共振相互作用导致的，使得ELMs的扰动模式在更短的时间尺度上发生变化。

4.对ITER运行的启示 研究结果表明，在ITER中，聚变产生的α粒子和NBI注入的高能离子与ELMs之间的相互作用将会更加显著。

本研究虽然在理解ELMs与高能离子相互作用方面取得了重要进展，但仍存在一些局限性。例如，模拟中使用的等离子体参数和高能离子分布是基于特定实验条件设定的，可能与ITER实际运行中的复杂情况存在差异。此外，模拟中未考虑等离子体与壁材料相互作用等其他因素对ELMs和高能离子的影响。

未来的研究可以进一步拓展模拟的参数空间，考虑不同运行条件下ELMs与高能离子相互作用的多样性。同时，结合实验观测数据，对模拟结果进行验证和修正，提高模拟的准确性和可靠性。此外，还可以探索其他可能影响ELMs与高能离子相互作用的因素，如等离子体的湍流特性、杂质离子的影响等，为全面理解聚变等离子体的复杂行为提供更为丰富的理论基础。