核聚变能源能为提供人类长达亿年的清洁能源，是解决世界能源问题的一种主要途径，是解决国家能源战略需求的重大前瞻性科技。核聚变需要将氘氚燃料加热到上亿度高温的等离子体，约束高温等离子体的一种主要方式是通过托卡马克等磁约束装置所产生的强磁场，使其形成一个真空性能良好的磁瓶来封存高温等离子体。国际热核聚变实验堆（ITER）计划是实现核聚变能和平利用的关键一步, 我国与之配套的聚变能发展计划是国家的重点研发计划。聚变反应率取决于温度、密度和约束时间的乘积。

目前托卡马克装置是磁约束聚变的一种主流实验装置，高约束运行模式能显著增加等堆芯离子体压强，从而增大聚变反应率和能量输出增益，是ITER的一种主要运行模式。高约束模式下等离子体边缘层具有很大的压强梯度，可以驱动强烈的电磁场扰动从而产生对器壁毁灭性的热流冲击，引入共振磁扰动可使热冲击能得到极大缓解。托卡马克高约束运行模式是磁约束聚变物理研究的重要课题，与托卡马克低高模式转化以及边缘层电磁场扰动缓解等物理密切相关。

由浙大牵头的2015年科技部重点研发计划项目《燃烧等离子体若干关键物理问题的模拟研究》和2011年科技部重点研究计划项目《磁约束聚变数值模拟与理论》，经过多年积累，由聚变理论与模拟中心肖维文研究员和肖湧教授组成的团队联合攻关而成。项目综合了先进的模拟和实验手段，围绕托卡马克低-高约束模式转化以及边缘层电磁场扰动缓解等关键物理问题进行研究。

研究采用基于超级计算技术的大规模回旋动理学模拟发现了一种全新的聚变等离子体从低约束模式转化为高约束模式的机制（梯度输运垒），并且找到了梯度输运垒的物理成因：湍流输运系数在台基区随压强梯度增加而快速减小。研究发现，如果压强梯度超过某一临界值，它将驱使等离子体的最不稳定状态从基态（长径向相干长度）跃迁到激发态（短径向相干长度）。这项研究成果发表在2017年3月的Physical Review Letters上。

共振磁扰动能够缓解高约束模式下等离子体边缘层的电磁场扰动，从而降低热冲击到器壁可接受范围，是目前磁约束聚变领域抑制边缘层电磁扰动的主要手段之一。最新研究成果揭示了托卡马克高约束模式下共振磁扰动和等离子体相互作用的发生地点、传播方向、传播速度、以及与之相关的电磁场扰动的变化。此项研究成果发表在2017年11月的Physical Review Letters上。

这两项研究成果将推动科学家对磁约束核聚变高约束运行模式的物理理解，具有重要的科学意义；与国家长期能源战略密切相关，具有巨大的社会意义。项目组今后将继续结合实验和模拟，进一步研究共振磁扰动缓解边缘层的电磁场扰动的物理机制。