安徽省科学技术奖提名项目公示

安徽省科学技术奖提名项目公示（2019年度）项目名称EAST双输运垒的实现及其应用RealizationofdoubletransportbarriersonEASTanditsapplication提名者及提名意见提名者：中国科学院合肥物质科学研究院提名意见：我单位认真审阅了该项目的推荐书及附件材料，确认全部材料真实有效，相关栏目均符合奖励办公室的填写要求。依托两项国家磁约束核聚变能发展研究专项、一项国家重大科学工程和三项国家自然科学基金，该项目团队在我国超导托卡马克装置EAST上开展了科学技术研究，理论模拟并实现了一种准稳态、同时具有内部输运垒和边界输运垒(即双输运垒)的先进等离子体模式。在此基础上，该项目团队完成了中国聚变工程实验堆（CFETR）的堆芯物理和相关工程概念设计。在NuclearFusion等聚变领域顶级学术期刊发表了重要学术论文8篇，共计获得SCI他引200次。国家科技部2018年11月17日组织的项目验收专家组一致认为：“EAST双输运垒放电模式的实现是原创性成果，属于重大创新，是突破性进展”。双输运垒模式提名该项目为2019年度安徽省自然科学奖候选项目。项目简介本项目属于磁约束等离子体(学科代码：A050608)。高参数等离子体的产生与维持是磁约束聚变堆的核心科学与技术问题。以国际热核聚变反应堆（ITER）、中国聚变工程实验堆（CFETR）为代表的未来实验堆装置，都将以稳态高参数等离子体作为其运行模式，演示聚变能成为清洁能源的可行性。托卡马克作为磁约束聚变最重要的一种实验装置，其等离子体约束通常分为低约束模式（L模）与高约束模式(H模)，H模的实现依赖于边界输运垒(EdgeTransportBarrier:ETB)的形成。ITER装置的基本运行模式即是这种具有ETB的H模放电。在具有ETB的等离子体中，额外的内部输运垒（InternalTransportBarrier:ITB）能够进一步提高等离子体参数。本项目围绕稳态高参数等离子体这一重要科学技术问题，在我国EAST超导托卡马克装置上，理论模拟并实现了一种准稳态、同时具有ETB和ITB（即双输运垒）的等离子体。聚变堆的堆芯等离子体物理设计涉及等离子体平衡与稳定性，约束与输运，加热与驱动等问题。项目组在EAST双输运垒先进等离子体模式研究基础上，利用集成模拟程序优化了约束、平衡与稳定性，完成了CFETR的堆芯物理设计。本项目取得的主要成果如下：EAST双输运垒的理论模拟、实验验证和物理机制。基于托卡马克集成模拟程序的理论研究，在EAST超导托卡马克上发展了具有内部输运垒与边界输运垒的准稳态高参数运行模式。并对内部输运垒和边界输运垒产生和维持的物理机制进行了分析研究，这种模式对未来聚变堆的运行具有重要的科学意义。基于双输运垒的CFETR堆芯物理设计在EAST双输运垒等离子体实验和理论模拟基础上，优化了集成模拟程序，开展了CFETR的约束与输运、平衡位形、等离子体稳定性等研究，完成了基于双输运垒先进等离子体运行模式的堆芯物理设计。该方案可以实现CFETR稳态运行、聚变功率1GW的目标，已经用于指导CFETR的工程设计。项目核心研究成果发表在《NuclearFusion》等聚变领域顶级期刊（其中1篇被评为2017年度NuclearFusion亮点“Highlight”，见其他附件1）。2018年11月17日，国家科技部组织的国家磁约束核聚变能发展研究专项（长脉冲H模的实现及其机理研究）课题验收会上，本科学发现的主要成果被参与验收的专家推荐为重大成果(成果名称：EAST双输运垒放电模式的实现)。验收专家组一致认为：“EAST双输运垒放电模式的实现是原创性成果，属于重大创新，是突破性进展”（见其他附件2）。这一系列前沿成果的产生标志着我国在磁约束聚变稳态高参数等离子体研究领域进入了国际前列。项目8客观评价项目研究成果发表在《NuclearFusion》等聚变领域顶级期刊。8篇代表性论文SCI他引200次，其中代表性论文[1]被《NuclearFusion》杂志评为2017年度亮点‘Highlight’(见其他附件1)。下面举几个引用项目组工作的实例。日本NIFS研究所和名古屋大学的两位科学家，最近在关于内部输运垒的综述文章[PlasmaPhysicsandControlledFusion60,033001,(2018)]中，直接引用了本项目的两项研究成果[代表性论文1、2]：‘ITBintheparticletransportwasachieved….intheELMyH-modeplasmawithaflatcentralqprofile(q(0)~1)intheExperimentalAdvancedSuperconductingTokamak(EAST)[146,147]’.大概意思是：包括粒子输运的内部输运垒，已经在EAST超导托卡马克平坦芯部安全因子(q(0)~1)的具有边界局域模的H模等离子体研究中成功取得了。2018年11月17日，国家科技部组织的国家磁约束核聚变能发展研究专项（长脉冲H模的实现及其机理研究）课题验收会上，代表性论文[1、2]的主要成果已经被参与验收的专家推荐为重大成果(成果名称：EAST双输运垒放电模式的实现项目组代表性论文[8]总结了CFETR装置的集成设计结果，获得了国际聚界的广泛关注：(a)德国马克-普朗克聚变研究所著名科学家H.Zohm(等离子体物理领域最高奖项之一Alfven奖的获得者)在他的文章中[J.FusionEng.,38,3(2019)]引用了这项工作：’Hence,apossiblewaytobenefitfromhighfieldistouseascenariowithhighq95,….Thisphilosophyhasbeenemployedforthehighq95scenariodevelopedonEASTandDIII-DandprojectedtobeusedonCFETR…’大概意思是：使用高纵场可以增加聚变功率和降低装置尺寸，这种方法已经在EAST和DIII-D装置上得到应用，并计划应用在CFETR装置上。(b)日本Naka研究所著名科学家M.Kikuchi在他的文章中[Eur.Pyhs.J.H,43,551(2018)]引用了这项工作：’Thisreportabandoneddemonstrationoftritiumself-sufficiencyinITERbutrecommendedthatlaterinstallationofatritiumbreedingblanketontheoutboardofthedeviceshouldnotbeprecluded.Thismarkedanimportantsetbackinthedevelopmentoffusiontechnologyfortritiumself-sufficiencyinmagneticconfinementdevices.Today,thisisthekeyrationaleofChina’sambitiousprogramtodemonstratetritiumself-sufficiencyinCFETRproject[82].’大概意思是：ITER装置在设计过程中放弃了氚自持的目标，这显然是聚变能技术发展过程中的一个严重倒退。而今天，中国正在雄心勃勃的计划在CFETR装置上验证氚自持技术。项目组代表性论文[6]总结了HT-7装置上的稳态运行以及全超导稳态运行的托卡马克HT-7U(现官方名称为EAST)装置的建设情况,获得广泛关注，SCI他引次数146次：(a)美国普林斯顿大学著名科学家N.J.Fisch[等离子体物理领域两个最高奖项(Maxwell奖和Alfven奖)的获得者]在他的文章中[NuclearFusion,40,1095(2000)]引用了这项工作：’Indeed,now,attheendofthe1990s,asweponderinwhatdirectionstokamakresearchwillmoveinthenextmillenium,itisnoteworthythatthenewtokamaksbeingbuilt,namelyKSTARinKorea[3],SST-1inIndia[4]andHT-7UinChina[5],……Whatwewilllearnfromtheselongpulsetokamaksishowthedetailedcontrolexercisablebywavesoperatesonlongertimescales,longenoughfortheplasmaradialcurrentprofiletorelax,orlongenoughtorecognizeslowinstabilities.’大概意思是：现在(90年代末)当我们还在思考新千年的托卡马克研究将会朝哪个方向时，值得注意的是一些新的托卡马克装置(如中国的HT-7U)正在建设，…从这些长脉冲托卡马克装置我们将学会如何通过射频波在更长时间尺度上精确控制等离子体。(b)李建刚院士率领的EAST团队在NaturePhysics杂志上的学术论文[NaturePhys.9,817(2013)]阐述了长脉冲高约束模的实现，引用了本项成果。内容是：先进的全超导实验托卡马克(EAST)是世界上首个与ITER磁位形和加热方式类似的全超导磁约束装置,…，它为研究下一代高功率长脉冲聚变装置(如ITER)的工程和物理问题提供了一个独特的平台。EAST装置最近取得了30多秒创纪录的长脉冲高约束模。(c)日本JT-60SA的研究小组最近发表的研究成果[NuclearFusion,58,075001(2018)]引用了该成果：‘Thesteady-stateoperationofmagneticallyconfinedfusionplasmasrequirestheadoptionofsuperconducting(SC)magnets，…ITERmagnetdesignhasbeenprogressed,…TheconstructionofothersuperconductingexperimentssuchasEAST[7],KSTAR[8,9],andJT-60SA[10]opensthenewdirectionoftokamakresearchtowardsthelongpulse.大概意思是：磁约束聚变等离子体的稳态运行需要采用超导磁体，…,ITER磁体已经完成设计…其它超导实验装置(如EAST)为长脉冲稳态运行提供了新的研究方向。’美国通用原子能公司DIII-D托卡马克实验团队在PhysicalReviewLetters上发表论文[PhysicalReviewLetters,121235001(2018)]中引用了我们的工作(代表论文[3])，‘ThePBmodelpositsthatELMsaretriggeredwhenincreasingpedestalgradientsreachacriticalthreshold.ThePBmodel,however,cannotexplainwhycertainELMsarenottriggeredwhenthepedestalgradientsreachthecriticalPBgradientsandremaininametastablestatelongbeforetheELMonset…DuringtheseELMs,thepedestalparametersareclampedaswasobservedinRefs.[7–9,11,16,17].’大概意思是：PB模型假设当台基梯度达到一个阈值就会触发边界局域模(ELMs)。但是，该模型不能解释实验中观察到的现象(如EAST装置)：台基即使达到阈值梯度，不会立即触发ELM，而是在这种亚稳态下维持较长时间。代表性论文专著目录XiangGao,YaoYang,TaoZhang,HaiqingLiu,GuoqiangLi,TingfengMing,ZixiLiu,YuminWang,LongZeng,XiangHan,YukaiLiu,MuquanWu,HaoQu,BiaoShen,QingZang,YaoweiYu,DefengKong,WeiGao,LingZhang,HuishanCai,XuemeiWu,K.Hanada,FubinZhong,YunfengLiang,ChundongHu,FukunLiu,XianzhuGong,BingjiaXiao,BaonianWan,XiaodongZhang,JiangangLiandtheEASTTeam,“Keyissuesforlong-pulsehigh-βNoperationwiththeExperimentalAdvancedSuperconductingTokamak(EAST),”Nucl.Fusion57(2017)056021YYang,XGao,HQLiu,GQLi,TZhang,LZeng,YKLiu,MQWu,DFKong,TFMing,XHan,YMWang,QZang,BLyu,YYLi,YMDuan,FBZhong,KLi,LQXu,XZGong,YWSun,JPQian,BJDing,ZXLiu,FKLiu,CDHu,NXiang,YFLiang,XDZhang,BNWan,JGLi,YXWanandEASTteam,“ObservationofinternaltransportbarrierinELMyH-modeplasmasontheEASTtokamak,”PlasmaPhys.Control.Fusion59(2017)085003.X.Gao,T.Zhang,X.Han,S.B.Zhang,D.F.Kong,H.Qu,Y.M.Wang,F.Wen,Z.X.Liu,C.B.HuangandtheEASTTeam,“ExperimentalstudyofpedestalturbulenceonEASTtokamak,”Nucl.Fusion55(2015)083015.T.Zhang,X.Gao,S.B.Zhang,Y.M.Wang,X.Han,Z.X.Liu,B.L.LingandEASTTeam,“CharacteristicsofditheringcyclesduringtheL-I-HtransitiononExperimentalAdvancedSuperconductingTokamak(EAST),”PhysicsLettersA377(2013)1725.GQLi,QLRen,JPQian,LLLao,SYDing,YJChen,ZXLiu,BLuandQZang,“KineticequilibriumreconstructiononEASTtokamak,”PlasmaPhys.Control.Fusion55(2013)125008.YuanxiWan,HT-7Team,HT-7UTeam,“OverviewofsteadystateoperationofHT-7andpresentstatusoftheHT-7Uproject,”NuclearFusion40(2000)6.X.Gao,J.S.Hu,Y.P.Zhao,X.Z.Gong,Y.W.Yu,G.N.Luo,H.Y.Guo,S.Morita,L.Q.Hu,J.L.Chen,H.Y.Wang,X.M.Wang,X.D.Zhang,J.G.Li,TheEastteam,“ICRFwallconditioningandplasmaperformanceonEAST,”JournalofNuclearMaterials390(2009)864.YuanxiWan,JiangangLi,YongLiu,XiaolinWang,VincentChan,ChanganChen,XuruDuan,PengFu,XiangGao,KaimingFeng,SonglinLiu,YuntaoSong,PeideWeng,BaonianWan,FarongWan,HeyiWang,SongtaoWu,MinyouYe,QingweiYang,GuoyaoZheng,GeZhuang,QiangLiandCFETRteam,“OverviewofthepresentprogressandactivitiesontheCFETR,”Nucl.Fusion57(2017)102009.主要完成人情况完成人：高翔，李国强，张涛，杨曜，万元熙1.第一完成人：高翔研究员，本项目的组织者、设计者与直接参与者，科技部国际热核聚变实验堆计划专项“ITPA基本物理问题研究”项目和“长脉冲H模的实现及其机理研究”项目首席科学家。对“重要科学发现”的第一、二点均做出了创造性贡献；他是代表性论文1、3和7的第一作者，代表性论文1、2、4、7和8的通讯作者。投入的工作量占本人工作总量的80%以上。2.第二完成人：李国强研究员，对“重要科学发现”第一、二点均做出了重要贡献，他是代表论文5的第一作者和通讯作者。李国强实现了EAST上的动理学平衡反演，并开展输运、加热和电流驱动等模拟分析，为EAST上双输运垒实验分析以及CFETR的堆芯物理设计做出了重要贡献。投入的工作量占他工作总量的80%以上。3.第三完成人：张涛副研究员，对“重要科学发现”的第一点做出了重要贡献，他是代表性论文4的第一作者和代表性论文3的通讯作者。张涛在实验中通过对实验数据的分析，证明了湍流引起的输运对边界输运垒的演化和维持具有重要作用。投入的工作量占他工作总量的80%以上。4.第四完成人：杨曜助理研究员，对“重要科学发现”的第一点做出了重要贡献，是代表性论文2的第一作者。在EAST实验中首次观察到了内部输运垒的形成，研究了其输运系数及约束改善特性，并在双输运垒放电的模式发展方面做出了重要贡献。投入到工作量占本人工作总量的80%以上。5.第五完成人：万元熙院士，本项目的直接参与者，国家大科学工程“EAST超导托卡马克核聚变实验装置”项目总负责人。对“重要科学发现”的第二点做出了创造性贡献；他是代表性论文6和8的第一作者及通讯作者。投入的工作量占本人工作总量的80%以上。主要完成单位情况完成单位为：中国科学院合肥物质科学研究院中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所成立于1978年，主要从事高温等离子体物理、磁约束核聚变工程技术及相关高技术的研究和开发，是中国主要的核聚变研究基地之一。2006年自主研制成功世界上第一台非圆截面全超导偏滤器托卡马克EAST。EAST托卡马克已经成为国际知名的聚变等离子体物理研究平台。项目完成人依托该平台，在两项国家磁约束核聚变能发展研究专项[1.长脉冲H模的实现及相关机理研究(编号2014GB106000);2.ITPA关键物理问题研究(编号2010GB106000)]和三项国家自然科学基金[1.面上项目:EAST高约束模的台基湍流及其与台基参数关系的实验研究(编号11274234)；2.面上项目:托卡马克中边界局域模的理论和数值模拟研究(编号10975161)；3.青年项目：EAST抖动L-H转换特征及其物理机制的研究（编号11305215）]的资助下完成了本项目研究。该项目所有的研究成果均在我单位完成，我单位是完成该项目的唯一单位，拥有对该项目成果的归属权和所有的知识产权。完