能源研究院在EAST托卡马克紧凑环注入瞬态输运研究中取得新进展

近日，合肥综合性国家科学中心能源研究院聚变产业应用研究中心联合中国科学技术大学、中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所（以下简称“等离子体所”）等团队，在紧凑环加料放电条件下等离子体瞬态输运机制研究中取得重要进展。相关成果以《Investigation of transient transport dynamics induced by compact torus injection in the EAST tokamak》为题，于2026年4月29日发表于核聚变领域权威期刊Nuclear Fusion（影响因子4.0）。论文第一作者为联培博士生赵志豪，通讯作者为能源研究院渠承明和中国科学技术大学周楚，实验依托等离子体所EAST装置完成。

等离子体边缘注入冷脉冲后，芯部电子温度在远超能量约束时间尺度内快速上升、边缘温度下降，这一“芯部温度反转”现象自1995年被发现以来已在多个装置上反复观测，但其机制长期缺乏解释，是制约未来聚变堆输运控制的关键难题。

研究团队创新采用能源研究院自主研发的紧凑环（CT）注入技术，借助其高密度（峰值线平均密度达2.1×10²¹ m⁻³）、高速度（约170 km/s）特性实现芯部深度穿透注入。紧凑环加料技术是能源研究院的核心研究方向之一，其独特的自组织磁场位形和高定向动能使其能够将粒子直接注入到托卡马克芯部深处，是目前中大型托卡马克上实现实验加料最深的技术手段，代表了当前磁约束聚变领域先进加料技术的重要发展方向。依托等离子体所EAST装置这一国际领先的实验平台，高时间分辨率诊断显示：注入后约2毫秒密度扰动即达芯部，密度剖面快速变平，实验过程中等离子体所诊断团队提供了宝贵的REFL反射仪、POINT偏振干涉仪等多套诊断数据支持；中国科学技术大学团队参与分析的多普勒背向散射（DBS）数据首次直接观测到芯部准相干模（QCM，经识别为捕获电子模TEM）强度显著降低。中国科学技术大学等离子体物理与聚变工程系在托卡马克湍流诊断及回旋动理学模拟领域享有国际声誉，其DBS诊断系统和数据分析能力为本次湍流物理机制的揭示提供了关键支撑。结合TGLF输运模型模拟，研究完整构建了“CT注入→密度梯度减小→TEM湍流被稳定→芯部温度上升”的因果链条。        

该研究首次在EAST上系统揭示了芯部温度反转的物理机制，证明“非局域”现象本质源于局域湍流动力学，并建立了深度加料与局部输运改善间的因果联系。这一成果标志着能源研究院紧凑环芯部加料技术从聚焦“工程实现”迈入了“工程与物理研究并重”的新阶段——在此之前，团队关于紧凑环的工作主要围绕加料效率、穿透深度等工程问题展开；而本次研究首次将紧凑环平台成功应用于托卡马克物理研究，验证了其作为探索瞬态输运等前沿物理问题独特工具的潜力。非局域热输运物理机制的揭示，不仅深化了对磁约束聚变等离子体输运过程的理解，也为紧凑环加料技术的优化和聚变堆输运控制策略的制定提供了新的物理视角，进一步巩固了能源研究院在磁约束聚变领域的关键地位。作为可提升氚燃烧率、降低未来聚变堆氚增殖率要求的潜在关键技术，该工作为磁约束聚变等离子体的主动输运控制提供了重要实验依据和理论支撑。该工作获国家磁约束核聚变能发展研究专项、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金及能源研究院重大培育项目（25KZS204、25KZS402、24KZS303、25KZS217、25KZS216）等资助，并得到等离子体所EAST装置运行团队的大力支持。

图1：EAST上紧凑环注入系统及关键诊断布局

图2：紧凑环注入后EAST等离子体径向剖面演化

图3：紧凑环注入前后芯部等离子体密度涨落频谱（DBS诊断）