近日，上海交通大学自然科学研究院、物理与天文学院的周尧副教授及其合作者通过大规模数值模拟发现W7-X仿星器在越过设计的等离子体比压上限时，激发的不稳定性会在低水平上饱和，不阻碍装置的平稳运行。该研究成果以“Benign Saturation of Ideal Ballooning Instability in a High-Performance Stellarator”为题，于2024年9月27日在Physical Review Letters上发表。

受控核聚变有望成为终极能源，而仿星器是未来聚变堆最具前景的方案之一。W7-X装置是目前世界上最先进的仿星器，此前使用有限的加热功率即打破了仿星器聚变三重积世界纪录。更多辅助加热将进一步提升其等离子体性能，尤其是比压（热压与磁压之比）这一关键参数。磁约束等离子体的比压上限一般由磁流体不稳定性给定。W7-X设计的比压上限约为5%，超出后将触发称作“理想气球模”的不稳定性。W7-X之前的仿星器实验中时见不稳定性的良性饱和，但其物理机制因缺乏模拟工具而少有研究。因此，尚不明确具有独特设计的W7-X能否继承这一优越性质。

图 1 W7-X标准位形中理想气球模的非线性饱和

图 2 W7-X非优化位形中交换不稳定性引起压强崩塌

周尧及其合作者使用其近年开发的先进仿星器磁流体程序M3D-C1模拟了W7-X等离子体中不稳定性的演化。在其标准磁场位形中，理想气球模在比压超越5%时出现如图1(a-c)示，但在较低幅度上即非线性饱和如图1(d-f)示，不会造成大尺度崩塌。作为对比，在一个非优化位形中，不稳定性在比压约1%时即造成显著压强崩塌如图2示，说明标准位形的非线性稳定性应归功于成功的优化。这些结果意味着W7-X仿星器设计的比压上限是柔性的，更强化了仿星器方案在实现稳态运行聚变堆方面的优势。

上海交通大学周尧副教授为论文第一及通讯作者。其合作者包括德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所K. Aleynikova研究员、美国普林斯顿大学等离子体物理实验室刘畅研究员与N. M. Ferraro研究员。研究工作得到了国家自然科学基金的支持。