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理学院刘凯军团队联合在环形等离子体湍流输运研究方面取得新进展

近日,南方科技大学理学院地球与空间科学系刘凯军课题组研究助理教授李景春联合加州大学欧文分校和南开大学等离子体团队连续发表两篇环形等离子体湍流输运研究相关成果。两篇论文分别发表于Nuclear FusionPlasma Physics and Controlled Fusion。


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实现受控核聚变遇到的一个关键问题就是如何将高温、高密度等离子体约束在有限的范围内达到足够长的时间并在单位时间内发生足够多的核聚变反应。这是聚变等离子体物理研究的一个极其重要的领域。由于等离子体中存在密度和温度的不均匀性,这会引起带电粒子在垂直于磁场和梯度方向的漂移运动。漂移运动会在等离子体中产生小尺度的静电或电磁扰动,这种扰动一般称为微观不稳定性。目前,学术界普遍认为,等离子体中横越磁场的输运的反常性(粒子热扩散系数分别约为理论预言值的十倍到一百倍)是由等离子体的微观不稳定性引起的,且基本确定离子温度梯度不稳定性驱动的湍流引起了离子能量的反常输运。然而,对于湍流的发展过程、饱和机制、饱和幅值及其与等离子体参数的关系等,人们的认识仍然有待深化。

第一篇论文题目为”ηi-mode in toroidal plasmas withanisotropic ion temperature and its gradient”,研究团队利用回旋动理学程序HD7,研究了在离子温度及其梯度各向异性的等离子体中由离子温度梯度(ITG)引起的微观不稳定性。结果表明:较高的垂直(于磁场方向的)温度或足够高的平行(于磁场方向的)温度的离子温度各向异性可增加驱动ITG不稳定性模的难度,这对未来聚变能的实现是有利的;而当存在离子温度梯度各向异性时,垂直方向的温度梯度(相比于平行方向的温度梯度)是激发ITG 的有利因素。这些影响与ITG模式激发的温度梯度阈值直接相关。这一研究成果对于ITG 模的激发条件以及等离子中的湍流输运具有重要意义。2021年5月,论文发表于Nuclear Fusion 期刊。李景春为共同第一作者。

第二篇论文题目为“Microturbulence in edge of a tokamak plasma with medium density and steep temperature gradient”,研究团队利用回旋动理学程序GTC,研究了类似(中等约束)I-模放电位形下的微观不稳定性和湍流输运。发现在具有中等密度梯度和陡峭温度梯度的台基等离子体中,离子温度梯度(ITG)模式占主导地位。不稳定性模宽度随着密度梯度和温度梯度之比的增加而缩小,这与解析理论非常吻合。在模拟中还发现了具有人字形结构的不稳定性模式,并在高温度梯度下诱导了多种 ITG 模式。同时发现电场剪切降低模增长率,而增加实频率。在非线性模拟中也观察到测地声模(GAM)的产生及其与湍流的相互作用。结果表明类似,I-模放电位形下的粒子热传导系数低于L-模,因此I-模放电位形较(低约束)L-模放电具有较好的约束水平。研究结果对于未来环性等离子体中I-模的实验和电磁模拟研究具有重要意义。2021年11月,论文发表于Plasma Physics and Controlled. Fusion,李景春是论文第一作者和通讯作者,南科大是论文第一单位。


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图1 (a), (b) 非线性模拟在 t = 1800t0 处扰动静电势的二维模结构。 (c) L-mode 和 I-mode-like 情形下的离子热导率。


以上研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金项目资助以及南科大超算中心的支持。

 

论文链接:

第一篇:https://doi.org/10.1088/1741-4326/abe6b5 

第二篇:https://doi.org/10.1088/1361-6587/ac2cd8 

 



供稿:地球与空间科学系

通讯员:龙晓怡

主图:丘妍