摘要
核聚变是最具吸引力的碳依赖型能源的替代品之一1．然而，尽管磁约束方法经过多年的研究和稳步进步，在大型反应堆中利用核聚变产生的能量仍然面临许多科学挑战。最先进的磁聚变设备还不能实现可持续的聚变性能，这需要超过1亿开尔文的高温和对不稳定性的充分控制，以确保数十秒的稳态运行2，3.．在这里，我们报告的实验在韩国超导托卡马克先进研究4产生等离子体聚变体系的设备满足上述大部分要求:由于大量的快离子稳定了核心等离子体湍流，我们在1亿开尔文的温度下产生等离子体，持续时间长达20秒，没有等离子体边缘不稳定或杂质积聚。低等离子体密度与适度的输入功率相结合是通过保留高比例的快离子来建立这种机制的关键。这种机制很少受到破坏，即使没有复杂的控制，也可以可靠地持续下去，因此代表了通往商业聚变反应堆的一条有前途的道路。
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有吸引力的聚变试验工厂的高极极贝塔托卡马克操作场景的开发和理解的进展
现代等离子体物理学综述“，开放获取2022年12月26日
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参考文献
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确认
我们感谢普林斯顿等离子体物理实验室的R. Nazikian、max - plank -等离子体物理研究所的H. Zohm、韩国科学技术院的W. Choe以及通用原子公司的J. Candy和E. Belli进行了富有成果的讨论。我们也感谢KSTAR中心所有成员对我们学习的支持和帮助。这项工作由韩国科学和信息通信技术部支持，韩国聚变能源研发计划KSTAR实验合作和聚变等离子体研究(KFE-EN2101-12)，国家研发计划通过韩国国家研究基金会(NRF)由韩国政府资助(科学和信息通信技术部)(NRF- 2021m1a7a4091135)，国家超级计算中心拥有包括技术支持在内的超级计算资源(KSC-2020-CRE-0364)，以及美国能源部根据合同号DE-AC02-09CH11466(普林斯顿等离子体物理实验室)提供的技术支持。我们感谢首尔国立大学能源与资源研究所和工程研究所。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
y.s.n.、h.h.、j.c.、y.h.l.、S.J.P.和Y.S.P.在KSTAR上构想了实验。h.h.， j.c.， j.c. Kang, s.h.h.， s.j.p.， Y.H.L.和y.s.n.在KSTAR中进行了所有的实验。J.G.B.利用米尔诺夫线圈测量结果诊断了实验中的磁扰动。W.H.K.和J.K.L.在实验中用电荷交换光谱法诊断了离子温度。J . h。Lee(韩国聚变能源研究所和韩国科技大学)用TS诊断了等离子体电子和密度分布，k.d.l在实验中用ECE诊断了电子温度。J. Ko利用MSE诊断了径向磁螺距角剖面。J.J.通过测量离子中和产生的发射线来诊断杂质强度和等离子体相互作用。kc.l用TCI诊断血浆密度。J.H.K.诊断并分析了快离子的特性。 M.J.C. and J. H. Lee (Korea Institute of Fusion Energy) diagnosed the temperature fluctuation using the ECE imaging. S.J.P., Y.H.L., C.Y.L. and G.J.C. performed the power balance and the linear gyrokinetic simulations. C.S. performed the nonlinear gyrokinetic simulations and investigated the impacts of fast ions on energy transport through these simulations. T.S.H., J.P.L., C.S., G.J.C., S.M.Y., S.K.K. and Y.-S.N. analysed the simulation results. H.H, S.J.P., J.-K.P., J.S., B.K., J.G., M.S.C., C.S. and Y.-S.N. prepared the manuscript, figures and video. W.C.K. and S.W.Y. supported all of this work as the KSTAR project managers. Y.-S.N. designed and led the whole research including coining the new confinement regime as FIRE mode. All authors analysed the results and contributed to the compilation and review of the manuscript.
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
同行评审
同行评审信息
自然感谢Hartmut Zohm和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
扩展数据图1 KSTAR设备的外部和内部视图。
一个韩国超导托卡马克先进研究(KSTAR)装置，位于韩国大田KFE。b， KSTAR真空容器的等离子体合成图像。
扩展数据图2仅使用NBI和应用FIRE模式的ECH的比较。
一个， ECH注入FIRE模式的概述(镜头26043)。b、离子温度、电子温度、电子密度、环向旋转速度、离子热扩散率和快离子密度分布ρn4.2 s(仅NBI)和8.7 s (NBI+ECH)。由NUBEAM代码计算的快速离子密度分布和由TRIASSIC结合NUBEAM、NCLASS和ASTRA的功率平衡分析计算的离子热扩散率分布。蓝色阴影区域表示使用ECH时从脚到肩膀的ITB区域。
扩展数据图3采用CGYRO代码的非线性陀螺动力学模拟结果T我/Te~ 0.91。
一个，能量通量不考虑快离子对模拟时间的影响，b，考虑快离子的能量随模拟时间的变化而变化。每个热离子的能量通量(问我)、快离子(问快)和电子(问e)归一化为陀螺玻姆能量通量(问GB)颜色分别为海军蓝、深青色和葡萄酒色。在这里，模拟设置和符号与图中使用的相同。4c和d除了T我/Te比值~ 0.91，其中为实验性T我/Te比率是1.42。请注意，由于需要一定的模拟时间，直到模拟的湍流被非线性效应饱和，因此只应考虑由箭头双线表示的非线性模拟结果的后一部分。
扩展数据图4 FIRE模式的ITB特性(KSTAR Shot 22663)。
一个中热离子热扩散系数的时间演化ρn通过TRIASSIC结合NUBEAM、NCLASS和ASTRA的功率平衡分析计算。ρ国际旅游展的,脚黑线表示ITB区域的时间演变。b，用电子回旋发射成像(ECEI)测量的FIRE模式ITB特征的电子温度波动(Shot 22663)。极向相邻信道之间的相干性Z= 0 m在频率0 - 250 kHz上求和，表示湍流振幅，其中Z为ECEI通道的垂直位置。当ITB向外扩张时ρn~ 0.6时，边缘波动明显减小。黑色虚线表示北向接口加热定时。c，反归一化离子温度梯度长度剖面，d，在3.75 s、4.55 s、5.35 s时功率平衡分析计算的热离子热扩散系数曲线。黑色、红色和蓝色曲线对应于中箭头所示的时间点一个．误差条由电荷交换光谱(CES)诊断的离子温度的标准差估计。e， FIRE模式的ITB特征的三维景观视图(拍摄22663)。归一化离子能量通量的热离子密度与离子温度梯度绘制在ρn= 0.3, 0.4, 0.5, 0.6从3.7 s到5.7 s。输运分岔发生在ρn~ 0.3处，即ITB形成时，ITB脚的位置。
扩展数据图5 FIRE模态(KSTAR Shot 25477)由l模态通过h模态向i模态转变过程中主要参数的时间演化
等离子体在2.0 s前、2.1 s ~ 2.7 s和2.7 s后分别处于l模式、h模式(包括抖动阶段)和类i模式阶段。在米尔诺夫线圈检测到的磁涨落中，在i模样相位中观察到强弱相干模。靠近边缘的离子温度(T我,95%)在类i模相中的强度高于l模相，这可能意味着ETB的形成。
扩展数据图6根据归一化等离子体压力对磁压力的固定操作窗口βN限制增强因子H89相对于内感l我．
它们是用磁EFIT计算的。黄色方块表示在转向器构型下的h模态，包括混合模态。灰色圆圈是传统的ITB放电，其l型边缘位于受限配置，蓝色三角形是FIRE模式，其l型边缘位于分流配置。红色菱形表示FIRE模式，在分流配置处具有i模式样的边缘。
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韩浩，朴世杰，成昌。et al。由快离子促成的持续高温聚变等离子体体系。自然609， 269-275(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05008-1
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现代等离子体物理学综述“，(2022)
