在全球能源需求日益增长的背景下，开发可持续能源已成为当今最紧迫的科学挑战之一。核聚变，作为为恒星提供能量的过程，因其清洁且几乎无限的能源特性而备受瞩目。在众多潜在的聚变能源解决方案中，托卡马克反应堆被认为是最有前途的方法之一。
然而，托卡马克反应堆面临的一个关键挑战是管理等离子体边缘的不稳定性，这被称为边缘局部模式(ELM)。在目前的托卡马克装置中，ELM会导致大量粒子和能量损失，对反应堆面向等离子体的部件造成侵蚀，并产生极端热通量，这对于未来的聚变发电厂来说是不可持续的。
使用 MEGA 代码模拟的 ASDEX 升级托卡马克中的 ELM 的 3D 可视化。托卡马克体积根据 ELM 结构着色。ELM 与高能粒子相互作用，高能粒子的轨道显示为绿色。图片来源：图片改编自 J. Dominguez-Palacios 等人，Nat. Phys. (2024)，CC BY 4.0
为了解决这一挑战，国际研究团队结合了实验、建模和模拟，深入研究了高能粒子对ELM的影响。这项研究是在欧洲核聚变联盟EUROfusion的框架内完成的，并于2025年1月6日发表在《自然物理学》杂志上。研究团队利用位于德国加兴的马克斯普朗克等离子体物理研究所的ASDEX Upgrade托卡马克装置进行了实验，并使用名为MEGA的混合代码进行了模拟。
研究结果表明，ELM的时空结构在很大程度上受到高能粒子群的影响。高能粒子与磁流体波(ELM)之间的相互作用机制是它们之间的共振能量交换。这种相互作用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，同样地，在等离子体中，高能粒子与ELM相互作用，并可以改变其时空模式。
主要作者Jesús José Domínguez-Palacios Durán表示：“我们的研究结果对于优化ELM控制技术具有重要意义。例如，我们可以使用高能粒子作为主动执行器来控制这些磁流体波。”
这项开创性的工作首次详细了解了高能离子与ELM之间的相互作用，对于ITER等大型托卡马克装置的运行和优化具有重要意义。预计在未来的ITER装置中，ELM和高能离子之间会发生强烈的能量和动量交换。
该研究的成功不仅为核聚变领域带来了新的见解，也为实现清洁、可持续的能源未来提供了有力的支持。这项工作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。
