我国托卡马克钨杂质新经典输运研究取得进展

近日，等离子体物理研究所在托卡马克中钨杂质新经典输运研究方面取得新进展。潘成康研究员提出了托卡马克中低中Z杂质密度极向不对称分布改变高Z杂质钨新经典输运特性的物理机制，相关研究成果发表于核聚变领域国际权威期刊Nuclear Fusion。

钨杂质的控制对现运行的托卡马克以及未来聚变堆装置实现聚变参数条件的运行至关重要。随着钨材料在托卡马克装置偏滤器和第一壁中的广泛应用，钨杂质的输运与聚芯控制问题备受关注。深入理解其输运物理机制将有助于探索钨杂质控制方法，而新经典输运在钨杂质输运中起着非常重要的作用。同时，托卡马克中不可避免地存在多种杂质，低中Z杂质注入被广泛应用于提高等离子体芯部参数和缓解偏滤器靶板热流，实验上同时观测到低中Z杂质注入对钨杂质输运有着很大的影响。

此项研究在已有的托卡马克中杂质新经典输运理论研究工作基础上，进一步发展了包含低中Z杂质作用的钨杂质新经典输运理论。研究发现，低中Z杂质的存在会改变钨杂质新经典输运的特性，传统理论中钨杂质新经典输运对主离子径向梯度的依赖关系被打破，低中Z杂质的密度极向不对称分布效应是改变钨杂质新经典输运特性的主要物理机制，并给出了其在钨杂质新经典输运中起主导作用的条件。研究还发现存在一个主离子径向梯度R/LnT阈值，当小于这个阈值时，钨杂质的新经典输运会随着低中Z杂质含量的增大而减弱，反之，钨杂质的新经典输运会随着低中Z杂质含量的增大而增强。因此，利用传统理论模拟计算钨杂质新经典输运可能存在一定的偏差。

该研究成果对准确评估钨杂质的新经典输运以及探索钨杂质控制手段具有重要意义，有利于进一步深入理解低中Z杂质注入提高等离子体约束性能的物理机制。此项工作得到了中国国家磁约束核聚变能研究专项和国家自然科学基金项目的资助。

图1 钨杂质新经典输运对主离子径向梯度和低中Z杂质含量的依赖关系

图2 钨杂质新经典输运对低中Z杂质含量的依赖关系

图3 低中Z杂质对钨杂质新经典输运特性的改变

图4 低中Z杂质极向不对称分布对钨杂质新经典输运的贡献