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磁约束核聚变等离子体物理研究新进展

编辑:phymaxc 时间:2017年05月09日 访问次数:409

    核聚变能源能为提供人类长达亿年的清洁能源,是永久解决世界能源问题的一种主要途径,是解决国家能源战略需求的重大前瞻性科技。核聚变需要将氘氚燃料加热到几亿度高温的等离子体,约束高温等离子体的一种主要方式是通过托卡马克等磁约束装置所产生的强磁场,使其形成一个密封性能良好的磁瓶来封存高温等离子体。但是这个磁瓶并非完美无缺,等离子体湍流输运是高温等离子体泄露的一种主要途径,因此改善等离子体的约束是目前聚变能源领域所面临的一个重要难题。
    目前以托卡马克装置约束高约束运行模式能显著增大聚变反应率,将是ITER(国际热核反应实验堆)运行的主要模式。在高约束模式下,托卡马克等离子体边缘因为陡峭的压强梯度形成台基区。30年以来,托卡马克从低模式到高模式的转换机制一直是困扰国际聚变界的一个难题,一般传统上认为是带状流或者平衡剪切流对湍流的抑制作用所导致。
        最近浙江大学物理系聚变理论与模拟中心的肖湧教授课题组使用大规模回旋动理学模拟第一次发现,湍流输运系数在强梯度条件下随压强梯度增加而减小,由此形成梯度输运垒,从而提供了一种聚变等离子体从低约束模式转化为高约束模式的新途径。传统上认为湍流输运系数随着梯度增强而增加,研究发现这种传统表现只在弱梯度下存在。研究进一步发现,这种新途径的物理机制是由于强梯度的存在,驱动等离子体最不稳定模从基态(对应传统气球模结构)跃迁到激发态(对应非传统气球模结构),从而使得非线性模拟中湍流的径向相干长度变短,减弱湍流输运。此项研究成果是肖湧教授指导的学生谢华生的博士论文的主要内容,最近发表在2017年3月3日的Physical Review Letters上 (https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.118.095001)。
    此项工作受到国家磁约束聚变能研究专项(ITER专项)、国家自然科学基金委以及青年千人计划支持。