近日,等離子體所EAST大科學(xué)工程團(tuán)隊(duì)孫有文三維物理課題組在等離子體本征環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)研究方面取得了新進(jìn)展?;谛陆?jīng)典環(huán)向粘滯理論,給出了實(shí)驗(yàn)上觀察到的等離子體自發(fā)旋轉(zhuǎn)的一種新的物理解釋。研究成果以“Symmetry breaking driving spontaneous plasma rotation in tokamak fusion devices”為題發(fā)表在核聚變領(lǐng)域權(quán)威期刊Nuclear Fusion上,華中科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生李翰輝為文章第一作者。
在自然界中等離子體通常是轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài),因?yàn)榱W?、能量和?dòng)量約束都是相互關(guān)聯(lián)的,所以等離子體旋轉(zhuǎn)物理學(xué)對(duì)于理解等離子體動(dòng)力學(xué)和動(dòng)量約束必不可少。由于等離子體中現(xiàn)象的復(fù)雜性,導(dǎo)致等離子體旋轉(zhuǎn)的機(jī)制不止一種,因此在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中研究假定的理論機(jī)制,可以有效的解決不同機(jī)制相互競爭的過程。在托卡馬克中,無外部動(dòng)量輸入的等離子體內(nèi)部或自發(fā)旋轉(zhuǎn)已被廣泛觀察到。此外,當(dāng)?shù)入x子體密度超過閾值時(shí),等離子體的固有旋轉(zhuǎn)會(huì)自發(fā)地改變方向。盡管在過去的十年里科學(xué)家們做了一些努力,但是目前這一現(xiàn)象仍然困擾著我們。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),在轉(zhuǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)的等離子體內(nèi)部,通常存在著內(nèi)扭曲磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)不穩(wěn)定性引起的鋸齒模,反轉(zhuǎn)通常發(fā)生在鋸齒反轉(zhuǎn)半徑內(nèi)。鋸齒震蕩及其前兆模會(huì)導(dǎo)致磁通面發(fā)生非軸對(duì)稱位移,而磁面的非軸對(duì)稱位移會(huì)使此處產(chǎn)生螺旋紋波從而引起的額外徑向漂移產(chǎn)生非雙極輸運(yùn)通量,這被稱為新經(jīng)典環(huán)形等離子體粘滯(NTV)。因此,課題組基于NTV物理學(xué)的解釋提出了一種托卡馬克中自發(fā)環(huán)形旋轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)的新機(jī)制。
研究結(jié)果表明,在低碰撞等離子體中,由于等離子體密度(碰撞率)的變化,在NTV力矩的作用下,等離子體環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)在離子根和電子根之間躍遷,從而實(shí)現(xiàn)了環(huán)形旋轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。在NTVTOK(代碼)模擬計(jì)算中,假設(shè)內(nèi)扭曲模引起1厘米非軸對(duì)稱位移,計(jì)算結(jié)果很好地再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)觀測到的等離子體密度爬坡過程中環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)的主要特征。模擬結(jié)果表明,一旦NTV力矩的數(shù)值足夠大,則可以顯著改變環(huán)向旋轉(zhuǎn),其中芯部的旋轉(zhuǎn)剖面大小與實(shí)驗(yàn)觀測值相當(dāng);同時(shí)也很好地再現(xiàn)了等離子體旋轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)的非線性磁滯過程,并與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象吻合。最近的研究表明,在托卡馬克和反場箍縮(RFP)裝置中都有可能形成芯部的螺旋平衡,在這種平衡狀態(tài)下,NTV力矩可以驅(qū)動(dòng)流動(dòng),從而改善等離子體約束。先前的研究表明NTV效應(yīng)會(huì)隨著等離子體碰撞強(qiáng)度的減小而增強(qiáng),因此,在未來的托卡馬克聚變堆中,NTV效應(yīng)可能在驅(qū)動(dòng)環(huán)向流中起到關(guān)鍵作用。此次研究提出的驅(qū)動(dòng)等離子體自發(fā)旋轉(zhuǎn)的機(jī)制可能有助于未來聚變反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式。
以上研究工作得益于EAST大科學(xué)裝置團(tuán)隊(duì)成員間的共同協(xié)作,研究結(jié)果有助于理解非線性分岔物理,拓展對(duì)等離子體本征轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的物理認(rèn)識(shí),對(duì)于以后核聚變反應(yīng)堆轉(zhuǎn)動(dòng)研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。相關(guān)研究受到國家重點(diǎn)研發(fā)、國家自然科學(xué)基金、國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ac1ab0
圖1:模擬結(jié)果顯示的環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)與磁滯現(xiàn)象
圖2:反轉(zhuǎn)閾值密度上下對(duì)應(yīng)的NTV力矩剖面(a)、本征轉(zhuǎn)動(dòng)剖面(NTV=0)(b)和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)剖面(動(dòng)量方程求解)(c)