等离子体所在等离子体本征环向转动研究方面取得新进展
时间 : 2021-09-30     

近日,等离子体所EAST大科学工程团队孙有文三维物理课题组在等离子体本征环向转动研究方面取得了新进展。基于新经典环向粘滞理论,给出了实验上观察到的等离子体自发旋转的一种新的物理解释。研究成果以“Symmetry breaking driving spontaneous plasma rotation in tokamak fusion devices”为题发表在核聚变领域权威期刊Nuclear Fusion上,华中科技大学联合培养博士生李翰辉为文章第一作者。 

在自然界中等离子体通常是转动状态,因为粒子、能量和动量约束都是相互关联的,所以等离子体旋转物理学对于理解等离子体动力学和动量约束必不可少。由于等离子体中现象的复杂性,导致等离子体旋转的机制不止一种,因此在实验室环境中研究假定的理论机制,可以有效的解决不同机制相互竞争的过程。在托卡马克中,无外部动量输入的等离子体内部或自发旋转已被广泛观察到。此外,当等离子体密度超过阈值时,等离子体的固有旋转会自发地改变方向。尽管在过去的十年里科学家们做了一些努力,但是目前这一现象仍然困扰着我们。经研究发现,在转动反转的等离子体内部,通常存在着内扭曲磁流体动力学(MHD)不稳定性引起的锯齿模,反转通常发生在锯齿反转半径内。锯齿震荡及其前兆模会导致磁通面发生非轴对称位移,而磁面的非轴对称位移会使此处产生螺旋纹波从而引起的额外径向漂移产生非双极输运通量,这被称为新经典环形等离子体粘滞(NTV)。因此,课题组基于NTV物理学的解释提出了一种托卡马克中自发环形旋转反转的新机制。 

研究结果表明,在低碰撞等离子体中,由于等离子体密度(碰撞率)的变化,在NTV力矩的作用下,等离子体环向转动会在离子根和电子根之间跃迁,从而实现了环形旋转反转。在NTVTOK(代码)模拟计算中,假设内扭曲模引起1厘米非轴对称位移,计算结果很好地再现了实验观测到的等离子体密度爬坡过程中环向转动反转的主要特征。模拟结果表明,一旦NTV力矩的数值足够大,则可以显著改变环向旋转,其中芯部的旋转剖面大小与实验观测值相当;同时也很好地再现了等离子体旋转反转的非线性磁滞过程,并与实验现象吻合。最近的研究表明,在托卡马克和反场箍缩(RFP)装置中都有可能形成芯部的螺旋平衡,在这种平衡状态下,NTV力矩可以驱动流动,从而改善等离子体约束。先前的研究表明NTV效应会随着等离子体碰撞强度的减小而增强,因此,在未来的托卡马克聚变堆中,NTV效应可能在驱动环向流中起到关键作用。此次研究提出的驱动等离子体自发旋转的机制可能有助于未来聚变反应堆实现更经济的运行方式。 

以上研究工作得益于EAST大科学装置团队成员间的共同协作,研究结果有助于理解非线性分岔物理,拓展对等离子体本征转动产生的物理认识,对于以后核聚变反应堆转动研究具有重要的科学意义和应用价值。相关研究受到国家重点研发、国家自然科学基金、国家磁约束核聚变能发展研究专项等项目的资助。 

论文链接:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ac1ab0

   
  图1:模拟结果显示的环向转动反转与磁滞现象 
    
  
  图2:反转阈值密度上下对应的NTV力矩剖面(a)、本征转动剖面(NTV=0)(b)和稳态转动剖面(动量方程求解)(c)