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研究证明托卡马克等离子体中存在湍流驱动的电流成分

时间:2022-03-11 10:05:04

近日,中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所联合法国原子能委员会、中国科学技术大学、核工业西南物理研究院、美国加州大学洛杉矶分校和深圳大学等,首次证明托卡马克等离子体中存在湍流驱动的电流成分,是支持高电子温度稳定运行的关键物理机制。

托卡马克中的等离子体电流是维持高约束性能的关键,主要包括欧姆电流、辅助加热驱动电流、自举电流。理论上预测湍流可以驱动电流,但至今从未得到实验证明。先进实验超导托卡马克EAST运行团队耗时近三年实现电子温度超过1亿度的长脉冲等离子体运行,并在实验研究中发现当电子温度梯度超过一定的阈值条件,电流被湍流调制,在远小于电阻扩散时间尺度上,随着湍流强度增大,自举电流和湍流驱动的电流方向相反,从而可在实验中将二者区分。借助湍流回旋动理学模拟计算,科研人员最终证实实验中观察到的湍流是电子温度梯度模,其产生的剩余协强可以驱动这一电流。湍流驱动的电流和压强梯度共同驱动内扭曲模,形成湍流-湍动电流-内扭曲模自我调节系统,从而维持芯部电子温度梯度稳定,这是支持高电子温度长脉冲运行的关键物理机制。

此外,电流直接影响等离子体不稳定性,甚至触发破裂。因此,湍流驱动电流还可应用于空间磁重连等研究领域。

相关成果发表在《物理评论快报》上。研究得到中科院、科技部、国家自然科学基金委、合肥国家综合科学中心、中科院青年创新促进会和科技部重点研发计划等资助。

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近日,中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所联合法国原子能委员会、中国科学技术大学、核工业西南物理研究院、美国加州大学洛杉矶分校和深圳大学等,首次证明托卡马克等离子体中存在湍流驱动的电流成分,是支持高电子温度稳定运行的关键物理机制。

托卡马克中的等离子体电流是维持高约束性能的关键,主要包括欧姆电流、辅助加热驱动电流、自举电流。理论上预测湍流可以驱动电流,但至今从未得到实验证明。先进实验超导托卡马克EAST运行团队耗时近三年实现电子温度超过1亿度的长脉冲等离子体运行,并在实验研究中发现当电子温度梯度超过一定的阈值条件,电流被湍流调制,在远小于电阻扩散时间尺度上,随着湍流强度增大,自举电流和湍流驱动的电流方向相反,从而可在实验中将二者区分。借助湍流回旋动理学模拟计算,科研人员最终证实实验中观察到的湍流是电子温度梯度模,其产生的剩余协强可以驱动这一电流。湍流驱动的电流和压强梯度共同驱动内扭曲模,形成湍流-湍动电流-内扭曲模自我调节系统,从而维持芯部电子温度梯度稳定,这是支持高电子温度长脉冲运行的关键物理机制。

此外,电流直接影响等离子体不稳定性,甚至触发破裂。因此,湍流驱动电流还可应用于空间磁重连等研究领域。

相关成果发表在《物理评论快报》上。研究得到中科院、科技部、国家自然科学基金委、合肥国家综合科学中心、中科院青年创新促进会和科技部重点研发计划等资助。

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