新湍流输运模型展示加热等离子体多尺度波动

　　由通用原子公司运行的美国能源部科学办公室所属用户设施——DIII-D国家聚变装置的研究人员，利用物理性能降低的等离子体湍流流体模型解释了托卡马克试验中意想不到的密度轮廓性质。为等离子湍流行为建模，或能帮助科学家优化诸如国际热核实验反应堆（ITER）等未来核聚变反应堆中的托卡马克性能。

图片来源于网络

　　加热托卡马克会产生很多有趣的现象，比如等离子体旋转和密度的变化。DIII-D研究人员建立了多种加热方法，比如产生电子加热的微波或者产生离子加热的中性束，如何影响等离子体密度、杂质行为和湍流输运的模型。不同的加热方法会在长（离子）尺度和短很多（电子）的尺度上驱动湍流。

　　这项日前在美国物理联合会（AIP）出版集团所属《等离子体物理学》杂志上发表的研究表明，加热聚变反应堆中的电子导致等离子体中的密度梯度发生重要变化。该模型预测，加热会在离子和电子尺度之间的波长上激起湍流，并且产生改变等离子体整体密度轮廓的粒子箍缩。研究人员还利用简化的输运模型预测了聚变反应堆中的杂质传送。

　　利用DIII-D国家聚变装置开展研究的普林斯顿大学等离子体实验室物理学家Brian Grierson介绍说，当加热等离子体时，改变的不只是温度，还改变了对等离子体密度和旋转产生二次影响的现有湍流种类。

　　通常，由加热等离子体中心到冷等离子体边缘的热量流动驱动湍流扩散，而这应当会让密度梯度变平。“不过，一件吸引人的事情是有时给聚变反应堆加热导致其产生密度梯度而非令其变平。”Grierson表示。密度峰化很重要，因为托卡马克内氘和氚粒子之间的聚变反应随着等离子体密度的增加而增加。换句话说，“聚变能同等离子体密度的平方成正比”。