伴隨高約束模式电浆，大幅度ELM准週期性的爆發會在百微秒時間尺度內釋放出裝置第一壁資料不可承受的瞬態高熱負荷，囙此如何抑制大尺度ELM爆發是未來聚變堆實現高性能穩態運行的嚴峻挑戰之一。电浆所胡建生研究員課題組在國際上率先採用實时鋰注入抑制ELM的方法，實現准穩態、完全抑制ELM的高約束模式电浆（J.S. Hu，PRL 114，055001（2015））。基於此項發現，課題組與美國普利斯頓大學电浆物理實驗室合作，在東方超環裝置（EAST）上開展大量實驗研究，系統性驗證了低Z資料實时注入抑制ELM的可行性，有望解決未來聚變裝置的瞬態高熱負荷問題。
近期，中美科研人員合作在EAST趨向ITER運行參數的高約束模电浆中採用高頻（2kHz）鋰彈丸（直徑~0.7mm）注入，首次成功將I類ELM的幅度降低了約70%，有效降低了ELM的瞬態高熱負荷。通過實驗發現，鋰彈丸通過加强邊界輻射和再迴圈控制顯著降低了台基壓力和自舉電流，同時新增了芯部电浆壓力，改善了芯部电浆約束效能。並且發現鋰彈丸調製後的台基區壓力剖面對中等環向模數的剝離氣球模有致穩作用，相關論文發表於核聚變頂級期刊Nuclear Fusion上（Z. Sun et al 2021 Nucl. Fusion 61 066022）。此外，科研人員首次採用普適於現有聚變裝置的壁處理資料——硼（Z=5），實时注入到EAST高約束模电浆中，成功實現了ELM完全抑制，並改善了电浆約束品質。研究發現伴隨硼粉注入，一支低頻（基頻2-5kHz）邊界相干諧頻模被加强，提供了新的粒子輸運通道，避免了雜質聚芯，保證了电浆穩態運行，同時發現該運行模式具有較寬的电浆運行窗口，不依賴於加熱模式和功率、电浆密度，燃料種類，縱場方向，安全因數。特別值得注意的是，粒子平衡法分析表明硼注入不會新增燃料在第一壁上長期滯留，可以解决鋰注入帶來的燃料滯留問題，有利於提高未來氘氚運行聚變裝置的經濟性和安全性，相關論文以快報形式發表在Nuclear Fusion上（Z. Sun et al 2021 Nucl. Fusion 61 014002）。相關實驗表明與高溫电浆相容性良好的低Z資料注入，不僅具有實时壁處理的效果，並且可以用於ELM控制，可為EAST長脈衝穩態運行和未來聚變裝置的ELM抑制這一極端重要問題提供了可行解决方案。
相關研究成果得到了EAST實驗團隊大力支持，也得益於电浆所及美國普利斯頓大學电浆物理實驗室、霍布金斯大學等相關科研人員的緊密合作，並受到國家重點研發計畫、國家自然科學基金傑出青年項目及中科院合肥大科學中心高端用戶培育基金等項目的資助。
https://doi.org/10.1088/1741-4326/abc763
https://doi.org/10.1088/1741-4326/abf855
https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.114.055001
圖1：高頻鋰彈丸注入前後ELM幅度表徵
圖2：鋰注入前和ELM緩解後的台基剝離氣球摸不穩定性分析結果對比
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