高約束運行模式（H 模）是未來聚變堆（如國際熱核聚變實驗堆（ITER）、中國聚變工程實驗堆（CFETR）等）穩态運行的一個基本模式。通常的H模面臨的挑戰之一是高約束條件下邊緣局域模（ELM: Edge Localized Mode）引起的等離子體邊緣區溫度、密度台基的周期性突發式崩塌。這些崩塌過程釋放的強脈沖熱流會導緻偏濾器熱負荷過載、靶闆材料濺射損傷甚至融化；不僅引起偏濾器靶闆的損壞，而且可能導緻大量高原子序數雜質進入芯部等離子體引起大破裂（Major Disruption）。例如，數值估算ITER的ELM爆發所釋放的熱流強度甚至可達100MW/m2, 而目前已知的偏濾器材料能承受的最大熱負荷僅為10 MW/m2，二者相差一個數量級！這無疑對磁約束聚變能源的實現是極大的挑戰。近年來，國内外主要托卡馬克裝置實驗中發現了在某些條件下H模運行可以進入一種幾乎無崩塌狀态，即QH模（Quiescent H-mode）。這為解決偏濾器熱負荷過載問題提供了一條可供選擇的途徑。因此，如何理解QH模的形成機制成為當前磁約束等離子體物理研究的一個關鍵科學問題。
研究人員往往借助于大規模數值模拟對QH模進行研究。這些研究難以揭示QH模形成的物理機制，特别是難以揭示ELM-H模與QH模的相互轉化過程。QH模理論研究面臨的最大困難是要同時處理多種自由能（電流、壓強、渦度梯度等）在等離子體邊緣區的耦合。在這個區間，傳統的本征模分析手段往往是不适用的。
圖1 渦旋波的發展路徑和QH狀态形成
beat365重離子物理研究所和核物理與核技術國家重點實驗室郭志彬研究員在深入分析邊緣區等離子體湍流性質的基礎上，提出了一種研究等離子體邊緣區激發模式的新手段—渦旋波耦合理論。在這一理論模型下，研究發現：1）當電流密度驅動和壓強梯度驅動的雙渦旋波實現鎖相時，ELM将被激發，等離子體進入ELM-H模狀态；2）當渦度梯度、電流密度和壓強梯度驅動的三渦旋波同時實現鎖相時，邊界層的高頻諧振蕩（EHO: Edge Harmonic Oscillation）将被激發，從而使等離子體進入QH模狀态。郭志彬課題組發現等離子體邊緣區的徑向電場曲率在選擇渦旋波的鎖相方式上起着關鍵作用（圖1）：1）降低邊界電場曲率，三渦旋波聯合模式的不穩定性邊界（藍線）會處在ELM邊界（黑色）右側，此時系統将處于ELM-H模狀态；2）增加邊界電場曲率，直到三渦旋波聯合模式的不穩定性邊界（紅色）移至ELM邊界（黑色）左側，此時系統将處于QH模狀态。這一理論進一步發展了郭志彬等提出的滑相輸運理論（https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.145002）,對未來聚變堆先進運行模式物理設計和實驗研究具有重要的指導意義。
這一工作已經在線發表于《物理評論快報》【 https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.125.255003 】。beat365官方网站重離子物理研究所博士研究生張毅為文章第一作者，郭志彬研究員為文章通訊作者，加州大學聖地亞哥分校（UCSD）的P. H. Diamond教授是合作作者。該工作得到了國家重點研發計劃項目（2018YFE0311400 ）、國家自然科學基金面上項目（8200905737）、beat365高性能計算平台等支持。
