6月5日，韩国国家研究基金会宣布来自韩国本土的科研团队成功揭示了快离子提高聚变约束性能的作用机制。相关论文发表在《Nature Reviews Physics》上，标题为《How fast ions mitigate turbulence and enhance confinement in tokamak fusion plasmas》。
一、研究背景
磁约束核聚变需同时满足高温、高密度和良好约束条件。托卡马克装置中，快离子（由外部加热如NBI/ICRH及聚变反应产生）与热等离子体共存。传统认知中快离子可能激发不稳定性（如阿尔芬模），损害约束性能；但近年实验发现，特定条件下快离子可抑制湍流并提升约束性能。
二、快离子增强约束的物理机制
1.改变磁场结构
快离子数量足够多时，其对总等离子体压力的贡献显著，会改变等离子体压力与磁压力的比值（β）的径向分布，导致磁面的位移（如沙夫拉诺夫平移），增加等离子体压力梯度与磁场压力梯度的比值，从而抑制由磁曲率引起的微观不稳定性（如离子温度梯度模-ITG等），减少粒子和能量的输运。
2.热离子稀释及热离子密度梯度变化
在高NBI或ICRH功率、低密度等离子体条件下，快离子不会热化而保持高能量，导致离子分布函数偏离麦克斯韦分布，出现热离子稀释现象。这会使热离子电荷密度分布与电子不同，形成中心凹陷的主离子密度分布，对离子温度梯度模及其非线性饱和水平产生稳定作用。同时，稀释会改变漂移波的色散特性，影响了带状流（Zonal Flows）的产生，而带状流能够稳定湍流。
3.快离子与微观湍流的共振相互作用
快离子可通过波-粒子共振相互作用，从不稳定性中提取能量，削弱其线性驱动，从而减轻湍流。当快离子的温度足够高，使得其磁漂移频率与离子温度梯度模的频率满足共振条件时，即使快离子的分布函数接近麦克斯韦分布，也能对离子温度梯度湍流的线性增长率产生影响。
4.微观湍流与快离子驱动不稳定的相互作用
快离子驱动的不稳定性（如阿尔芬特征模式）与微观湍流共存并相互作用。阿尔芬模式往往通过非线性相互作用生成和调节Zonal Flows，而Zonal Flows又会影响阿尔芬模式的饱和。例如，在EAST（东方超环）中，鱼骨模的存在导致其活动区域的湍流消失，并形成内部输运壁垒（ITB）；在HL-2A（中国环流二号）托卡马克中，由快离子驱动的不稳定性通过增加Zonal Flows活动，抑制离子温度梯度湍流输运来维持ITBs；在JET中，与热湍流输运相互作用的被激发的环向阿尔芬本征模（TAE）在低快离子稀释和存在兆电子伏特（MeV）离子的条件下被发现，这些等离子体显示出比用NBI加热的等离子体更少的核心离子热输运。
三、实验观测
1.改变磁场结构的实验
在强等离子体加热实验中，快离子可产生高非热等离子体压力，改变磁场结构。例如，在混合模式的JET、KSTAR和ASDEX Upgrade等托卡马克中，观察到快离子引起的磁场结构变化带来的约束改善，但在等离子体核心区域，这种机制对能量输运减少的影响相对较小，而在边缘区域，通过增加台基高度，使整体约束得到改善。
2.热离子稀释及热离子密度梯度变化的实验
在ASDEX Upgrade、HL-2A和KSTAR的实验中，观察到高快离子稀释条件下离子温度梯度驱动的能量输运受到抑制，并形成了离子内部输运垒（ITB），其中KSTAR的FIRE模式在高快离子稀释条件下可维持长达50秒的离子ITB。
3.快离子与微观湍流共振相互作用的实验
在JET的低旋转等离子体中，主要由ICRH加热的高能氦3减少了湍流驱动的能量输运；在ASDEX Upgrade的实验中，通过ICRH最大化离子温度梯度输运减少的波-粒子共振相互作用，成功实现了热离子的内部输运垒生成。
4.微观湍流与快离子驱动不稳定相互作用的实验
在DIII-D实验中，发现Zonal Flows由高能量粒子模不稳定性生成，可抑制热等离子体的湍流输运。回旋动理学环形代码（GTC）模拟显示，鱼骨模生成的带状流可能是内部输运垒形成的原因，且RSAE和ITG在这些等离子体中共存并发生非线性相互作用，热离子热扩散率在模拟中比控制模拟减少了一半。
四、总结
快离子通过修改磁场结构、引发热离子稀释、与微湍流共振及驱动中尺度不稳定性等机制，显著抑制托卡马克等离子体湍流，提升约束性能。近期实验如KSTAR FIRE模式、ASDEX Upgrade F-ATB等已验证这些机制的有效性。未来研究需聚焦快离子-湍流多尺度相互作用的物理本质，为ITER等下一代聚变装置的约束优化提供理论支撑。
论文第一作者，也是韩国首尔国立大学（SNU）的Na Yong-Soo教授说：“这项研究为通过在聚变反应堆中利用快离子来提高约束性能开辟了新的可能性，有望应用于未来小型聚变反应堆或示范反应堆的设计，为聚变的商业化做出重大贡献。”
参考资料：
- https://biz.chosun.com/en/en-science/2025/06/05/PTXNFEUA2BDZ5I65IKAL72KS5Y/
- https://www.nature.com/articles/s42254-025-00814-8
- https://sun.ps.uci.edu/people/zlin/bib/na25.pdf