日前,等離子體物理研究所聯(lián)合法國原子能委員會、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、核工業(yè)西南物理研究院、美國加州大學(xué)洛杉磯分校和深圳大學(xué)等單位,首次證明了托卡馬克等離子體中存在湍流驅(qū)動的電流成份,是支持高電子溫度穩(wěn)定運行的關(guān)鍵物理機(jī)制。這一新成果于2月25日發(fā)表在物理類頂級期刊《物理評論快報》上(Erzhong Li et al, Phys. Rev. Lett. 128,085003(2022))。
托卡馬克中的等離子體電流是維持高約束性能的關(guān)鍵,主要包括歐姆電流、輔助加熱驅(qū)動電流、自舉電流。理論上預(yù)測湍流可以驅(qū)動電流,但至今從未得到實驗證明。龔先祖研究員帶領(lǐng)EAST運行團(tuán)隊耗時近三年實現(xiàn)電子溫度超過1億度的長脈沖等離子體運行,并在實驗研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)電子溫度梯度超過一定的閾值條件,電流被湍流調(diào)制,在遠(yuǎn)小于電阻擴(kuò)散時間尺度上,隨著湍流強(qiáng)度增大,自舉電流和湍流驅(qū)動的電流方向相反,從而可在實驗中將二者區(qū)分(見下圖)。借助湍流回旋動理學(xué)模擬計算最終證實了實驗中觀察到的湍流是電子溫度梯度模,其產(chǎn)生的剩余協(xié)強(qiáng)可以驅(qū)動這一電流。湍流驅(qū)動的電流和壓強(qiáng)梯度共同驅(qū)動內(nèi)扭曲模,形成湍流-湍動電流-內(nèi)扭曲模自我調(diào)節(jié)系統(tǒng),從而維持芯部電子溫度梯度穩(wěn)定,這是支持高電子溫度長脈沖運行的關(guān)鍵物理機(jī)制。同時,電流直接影響等離子體不穩(wěn)定性,甚至觸發(fā)破裂。因此,湍流驅(qū)動電流不僅對聚變等離子體有重大意義,還可以廣泛應(yīng)用于空間磁重連等研究領(lǐng)域。
該項研究成果得到中科院、科技部、國家基金委、合肥國家綜合科學(xué)中心、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會和科技部重點研發(fā)課題等單位及項目的資助?! ?/p>
文章鏈接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.085003
湍流驅(qū)動的電流與自舉電流動力學(xué)特征