南华大学团队发现新的两波协同电流驱动方式

近日，南华大学核聚变与等离子体物理团队的尹岚副教授、郑平卫副教授、龚学余教授等发现了一种可应用在聚变磁约束装置中新的两波协同电流驱动方式，采用该方式可显著提升射频波电流驱动效率。相关研究成果《New synergy effects of the lower hybrid wave and the high harmonic fast wave current drive》（低杂波和高谐快波联合电流驱动的新协同效应）在核聚变领域的国际TOP期刊《Nuclear Fusion》（《核聚变》）上发表。该研究中这是南华大学核聚变与等离子体物理团队近几年在《Nuclear Fusion》期刊上发表上的第6篇学术论文。并且，该研究工作得到了中国国家自然科学基金项目、“核科学与技术”湖南省国内一流建设学科的资助。

本研究首次发现离子回旋高谐快波和低杂波联合电流驱动的协同效应，这种协同效用可以有效提升射频波电流驱动效率，改善电流分布，解决目前实验中遇到的高密度参数下低杂波电流驱动效率快速下降、离子回旋波只能驱动芯部电流等问题，对实现我国大科学装置全超导托卡马克EAST上的重要目标-长脉冲高参数H模运行有着重要意义，也为世界上其他聚变装置比如DIII-D（今年即将开展高谐快波和低杂波联合电流驱动实验）提供重要参考。

射频波对等离子体电流的非感应维持是保障托卡马克类型聚变装置稳态运行的关键，在高密度参数下低杂波电流驱动效率快速下降，而其他单一射频波电流驱动方式均存在自身的问题。南华大学核聚变与等离子体团队尹岚副教授针对我国的超导托卡马克装置EAST首次开展了离子回旋高谐快波和低杂波协同电流驱动理论模拟研究。发现了显著的协同效应，电流驱动效率被提升2倍，电流分布被控制在理想的离轴区域，有利于形成反剪切磁场位形。强烈的正协同效应主要发生在离轴区域，局部协同因子可达到4.38，同时高谐快波单独驱动的芯部电流因协同效应消失，如图1所示。分析其内在物理机制，发现协同效应发生的主要原因在于低速波与电子发生朗道阻尼共振，波能量传递给电子，将电子推入了相邻的高速波共振区，使得与高相速波共振的电子数目显著增加，从而驱动出额外的电流。通过对不同的波平行折射率、波频率以及波功率等重要参数进行大量模拟计算发现，协同因子与波平行折射率、波频率密切相关，不恰当的波参数会导致两波共振区远离，协同机制的物理条件被破坏，协同效应可能消失，甚至出现负协同效应。