近日，等离子体所刘海庆研究员团队联合中国科学技术大学蔡辉山教授团队在长脉冲放电非线性物理研究中取得新进展。该团队通过深入分析一次持续125秒的长脉冲放电实验，首次系统揭示了等离子体电流剖面、磁流体不稳定性与环向旋转三者之间通过“自组织”过程相互耦合并自发演化的物理机制，相关成果以“Investigation of MHD events and associated toroidal rotation variation in an EAST long-pulse discharge”为题发表于核聚变领域核心期刊Nuclear Fusion。
实现未来聚变能应用的核心挑战之一，是维持等离子体在数小时量级的稳定高性能运行。这不仅需要精密的外部控制，更依赖于等离子体内部自发形成的“自组织”稳态。此前，EAST已实现超过千秒的长脉冲运行世界纪录，其中等离子体的自组织行为被认为是维持稳态的关键。然而，这一过程中多种物理量(如电流、温度、旋转、不稳定性)如何相互作用并协同演化，其内在物理机制尚不清晰。
本研究聚焦于EAST装置上一次持续125s的典型长脉冲放电。研究发现，在放电初期，一个m/n=3/2撕裂模(TM)被激发并持续约42秒。尽管外部加热功率保持恒定，但通过低杂波电流驱动与等离子体极向磁场的非线性耦合，电流剖面发生了缓慢的自组织演化，导致磁剪切增强，最终使该撕裂模被自然抑制。撕裂模消失后，等离子体核心电子温度升高，约束性能得到改善。与此同时，研究团队观测到一种独特的不稳定性模式转换现象：一个m/n=1/1的长寿模(LLM)会与一个m/n=1/1高频模(HFM)交替出现。分析表明，当电子温度梯度超过阈值(R/LTe ~ 8.5)时，会激发由温度梯度驱动的HFM，其频率会随梯度“啁啾”变化，特性类似于漂移撕裂模，可能对维持核心输运垒起到关键作用。另外，研究通过实验与模拟相结合，证实这些MHD模式会通过“新经典环向粘性(NTV)”效应产生环向力矩。模拟显示，撕裂模会产生一个与等离子体自转方向相反的“刹车”力矩;当撕裂模消失后，这个力矩减小，导致等离子体核心旋转加速，这可能是约束改善的另一个关键物理因素。
该研究描绘了在长脉冲条件下，等离子体通过内部物理量的自组织相互作用，从一个较不稳定的状态自发演化到一个更稳定、更高性能的状态，深化了对长脉冲等离子体稳态运行物理机制的理解。
由储宇奇博士后协助指导的博士生朱荣杰为论文的第一作者。该研究受到国家磁约束核聚变能发展研究专项、安徽省重大科技专项项目、中国科学院战略性先导科技专项等项目的资助。
图1：放电参数
图2：MHD模式转换与温度梯度阈值
