新湍流输运模型展示加热等离子体多尺度波动

DIII-D国家聚变设施是美国能源部科学办公室的一个用户设施，由通用原子公司运营。该设施的研究人员使用物理性质降低的等离子体湍流模型来解释托卡马克实验中意想不到的密度分布特性。模拟等离子体湍流行为可能有助于科学家在未来的核聚变反应堆中优化托卡马克的性能，例如国际热核实验反应堆(ITER)。

加热托卡马克将产生许多有趣的现象，如等离子体旋转和密度变化。DIII-D研究人员已经建立了各种加热方法的模型，例如微波产生电子加热或中性束产生离子加热，如何影响等离子体密度、杂质行为和湍流传输。不同的加热方法将在长(离子)尺度和短得多的(电子)尺度上驱动湍流。

这项研究最近发表在《等离子体物理学》杂志上，该杂志隶属于美国物理联合会出版集团，研究表明聚变反应堆中的加热电子会导致等离子体中密度梯度的显著变化。该模型预测，加热将在离子和电子尺度之间的波长处引发湍流，并产生粒子收缩，从而改变等离子体的整体密度分布。研究人员还使用简化的输运模型预测了聚变反应堆中的杂质输运。

普林斯顿大学等离子体实验室的物理学家布莱恩·格里森(Brian Grierson)利用DIII-D国家聚变设施进行了研究，他说，当等离子体被加热时，不仅温度发生了变化，而且对等离子体密度和旋转产生次要影响的现有湍流类型也发生了变化。

通常，湍流扩散是由从加热等离子体中心到冷等离子体边缘的热流驱动的，这将使密度梯度变平。“然而，有一件吸引人的事情是，有时加热聚变反应堆会使其产生密度梯度，而不是使其变平。”格里森说。密度峰值非常重要，因为托卡马克中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，“聚变能量与等离子体密度的平方成正比。”(宗华)