近日，中国科学技术大学核科学技术学院庄革教授带领的多途径磁约束核聚变研究中心团队对大科学装置EAST托卡马克上I-mode到H-mode的转换过程进行了实验研究。研究成果以“Characterization of Pedestal Burst Instabilities during I-mode to H-mode Transition in the EAST Tokamak”为题发表于Nuclear Fusion期刊上（62, 066046 (2022)）。
I-mode，全称为Improved L-mode，是一种在Tokamak上只有边界温度垒，没有密度垒的能量约束改善运行模式。因其粒子输运与低约束模式类似，具有便于杂质排除避免聚芯，边界范围无边界局域模ELMs等特征，故而对未来的反应堆来言，I-mode相较于高约束模（H-mode）具有一定的优势。研究稳态I-mode的维持机制，实现长时间的I-mode稳态运行具有非常重要的意义。EAST装置上大量实验表明，随着辅助加热功率的提高，I-mode很有可能会进入到H-mode，随之带来ELMs爆发和靶板热负荷等问题。大量的实验观测与分析表明在I-H转换过程中，普遍存在着一种准周期的台基阵发不稳定性（Pedestal Burst Instabilities，简称PBIs），这种不稳定性很大可能是由逐渐提高的台基密度梯度所驱动。这项工作首次揭示了I-H转换可能的微观输运机制，为识别I-H转换前兆，进而人为控制维持稳态I-mode打下物理基础。
实验观测发现，I-H转换可细分为四个阶段：稳态I-mode阶段，PBIs阶段，湍流抑制阶段，带有边界相干模式ECM的H-mode阶段，大多数位于等离子边界区的诊断，如多普勒反射计，辐射信号，软X射线信号，电子回旋辐射信号，磁探针等，都能在边界观测到PBIs。如图1所示。
图1：各种诊断系统观测到的I-mode到H-mode转换过程中的PBI阶段
PBIs爆发时，伴随着湍流变强，辐射和温度扰动上升，靶板粒子流增强。尽管PBI会间歇性中断I-H转换过程中密度台基的建立，但是在整个PBIs持续期间里，弦平均密度和台基密度梯度仍然在逐步的提升，直到密度梯度到达某一阈值后，PBIs消失，完全进入H-mode状态。此外，PBI爆发前，台基顶附近的密度梯度陡然上升并且驱动首个PBI的归一化台基密度梯度标长存在一个明显阈值（22-24），如图2所示。这一结果表明，PBIs很大可能是由密度梯度所驱动。
图2：多炮统计显示的每个PBI爆发时密度梯度标长与损失功率（a）和弦平均密度（b）之间的关系
本文第一作者为仲小明博士，通讯作者为刘阿娣副教授和宋云涛研究员，该工作得益于多途径磁约束核聚变研究中心团队以及合肥物质科学研究院等离子体物理研究所I-mode团队的通力协作，以及法国原子能研究所CEA的支持；该工作得到国家磁约束核聚变能发展研究专项,国家自然科学基金和合肥大科学中心高端用户培育基金的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1088/1741-4326/ac60e9