寻找能够满足全球需求的可持续能源仍是当前最紧迫的科学挑战之一。核聚变作为一种清洁且几乎取之不尽的能源解决方案，备受科学界关注。其中，基于托卡马克的聚变反应堆设计在利用磁场约束等离子体方面处于领先地位。然而，保持等离子体边缘稳定性对于推进核聚变发电厂至关重要，而边缘局部模式(ELM)引发的破坏成为当前托卡马克装置面临的一大难题。
ITER作为目前在法国卡达拉舍建造的世界上最大的托卡马克装置，其核心目标便是实现有效的等离子体约束。然而，ELM引起的磁流体动力波类似于太阳耀斑，会导致大量能量和粒子损失，对未来反应堆中面向等离子体的部件造成不可接受的侵蚀和热通量水平。
近日，一项国际研究合作在德国加兴马克斯普朗克等离子体物理研究所的ASDEX Upgrade托卡马克上取得了重要进展。该研究结合了实验工作、建模和模拟，深入研究了高能离子如何影响ELM，并揭示了它们行为的新见解。
研究人员使用一种名为MEGA的混合计算工具，模拟了ELM与高能粒子之间的自洽相互作用。通过将模拟结果与实验数据进行比较，他们发现ELM与高能粒子之间的共振能量交换机制是关键的相互作用过程。这种共振交换解释了磁诊断和快离子损失检测器中观察到的ELM特征之间的相似性。
该研究的主要作者Jesus Jose Dominguez-Palacios Duran解释说：“在我们的研究中，我们证明了高能离子动力学效应可以改变边缘局部模式的时空结构。这种效果类似于冲浪者乘风破浪，冲浪者在冲浪时会在波浪上留下足迹。在等离子体中，高能粒子与MHD波(ELM)相互作用，并可以改变其时空模式。我们的研究结果对优化ELM控制技术具有重要意义。”
这项研究成果已发表在《自然物理学》杂志上，标志着一个重要的里程碑，首次详细了解了高能离子与ELM之间的相互作用。研究结果表明，ITER可能会经历ELM和高能离子之间的强烈能量和动量交换，为优化ELM控制方法提供了宝贵的见解。
据悉，这项研究得到了欧洲研究理事会、EUROfusion联盟、西班牙科学、创新和大学部以及安达卢西亚政府的资助。
