核聚变等离子体湍流
核聚变等离子体湍流是一种特殊类型的湍流现象，它发生在高温等离子体中，特别是在寻求实现核聚变反应的环境中。湍流本身是一种流体动力学现象，指的是在流体中出现的无序、混沌且不规则的流动模式。当流体（在核聚变的情况下是等离子体）受到扰动时，如果这些扰动的能量超过了维持稳定流动的阈值，就会形成湍流。
在核聚变等离子体中，湍流是由等离子体内部的温度和密度梯度引起的小尺度不稳定性发展而来的。这些不稳定性导致等离子体中形成了快速移动的涡旋和复杂的流动模式，它们以极高的速度传播，有时甚至比热量本身传播得更快。这种湍流的存在对核聚变反应堆内部的输运垒形成具有重要影响，因为它会加速热量和粒子从等离子体核心向外的传输，从而影响聚变反应的效率和稳定性。
发展历程
-20世纪中叶：核聚变研究开始，等离子体物理学作为研究领域逐渐形成。
-20世纪70-80年代：托卡马克实验中观察到异常行为，与等离子体湍流相关的现象开始受到研究者的关注。
-20世纪90年代：在实验和理论研究中，对等离子体中的湍流输运（Turbulent Transport）和高约束模式（H-mode）进行了深入研究。
-1998-1999年：数值模拟和理论研究方面，等离子体湍流中的带状剪切流（zonal flows）成为研究焦点，进行了多次专题讨论会。
-2022年5月：日本国立聚变科学研究所与美国威斯康星大学的研究团队，在大型螺旋装置中首次发现等离子体湍流的运动速度比热量快，这一发现被发表在《自然·科学报告》杂志上。
-2024年：中国科学技术大学物理学院王少杰教授课题组，在磁约束聚变等离子体湍流输运和约束模式跃迁的大规模数值模拟研究中取得突破性进展，相关成果发表在《物理评论快报》上。
中国科大首次揭示聚变堆内部输运垒形成的完整图像
中国科学技术大学物理学院的王少杰教授领导的研究团队首次成功实现了对磁约束聚变等离子体中内部输运垒自组织演化过程的大规模数值模拟，从而揭示了聚变堆内部输运垒形成的完整图像。
国际热核聚变堆ITER的成功运行依赖于芯部等离子体实现高约束运行模式，即内部输运垒的形成。此前，国际上多个实验装置已经观测到内部输运垒的形成，而其中对于ITER最有希望的内部输运垒是在芯部弱磁剪切位形下形成的输运垒。这种输运垒的形成机制与非线性湍流的预测密切相关，是一个重大的科学难题。
王少杰教授的研究团队在科技部ITER专项的支持下，与中国科学技术大学和中国科学院等离子体物理研究所合作，基于王少杰教授提出的数值李变换方法，开发了中国首个五维相空间非线性湍流大规模并行模拟程序NLT。该程序已广泛应用于托卡马克聚变等离子体湍流的模拟研究。
近期，该研究团队提出了“临近平衡更新”（NEU）方法，解决了长期困扰科学界的非线性湍流扰动算法中的难题。利用NLT程序，他们首次实现了托卡马克聚变等离子体中内部输运垒自组织形成过程的数值模拟。模拟结果显示，内部输运垒在磁轴附近的形成是由向内传播的雪崩过程引起的，而其向外的扩展则是由向外传播的雪崩过程引起的自组织结构的突变。
这一成果受到了多位国际著名等离子体物理学家的高度评价，被认为是等离子体湍流研究领域的一个突破，提供了内部输运垒形成的首个完整物理图像，并有可能改变内部输运垒研究的范式。NEU方法的应用前景广阔，预计可以解决一系列重要科学难题，其数学方法和物理结果将对聚变和其他领域产生影响。
研究挑战
湍流模拟的复杂性
核聚变等离子体湍流的模拟需要同时考虑微观粒子动力学和宏观流体动力学行为。例如，在托卡马克装置中，等离子体湍流的模拟必须包含磁场对粒子轨迹的影响，以及由此产生的复杂电流模式和温度分布。这要求模拟算法能够在多个空间和时间尺度上精确捕捉现象，从电子和离子的微观尺度到整个反应器的宏观尺度。
实验数据的获取
在高温等离子体中进行实验时，传统的测量技术往往不适用。例如，为了测量等离子体内部的温度分布，研究人员可能需要使用高速相机和光谱学技术来分析从等离子体发出的光。这些测量需要在极端条件下进行，如高辐射环境和高温等，这对传感器和数据采集系统提出了特殊要求。在国际热核聚变实验反应堆（ITER）项目中，研究人员开发了先进的诊断工具，如汤姆逊散射系统，用于测量等离子体的电子温度和密度。
湍流与输运的关系
湍流现象对等离子体中粒子和能量的输运有显著影响，这直接关系到核聚变反应的效率。理解湍流如何增加或减少热量和粒子在等离子体中的混合是至关重要的。例如，湍流可能导致热量从等离子体中心向外的非期望输运，降低聚变反应区的温度，从而影响聚变反应的速率。在托卡马克等离子体中，内部输运垒（ITB）的形成可以减少湍流输运，提高聚变等离子体的性能。研究人员通过改变磁场和等离子体参数来优化ITB的形成，从而控制湍流输运。
核聚变等离子体湍流的研究对于实现聚变能源的商业化至关重要。尽管面临诸多挑战，但近年来在理论和实验方面都取得了显著进展。随着研究的深入，我们期待核聚变能够成为未来能源结构的重要组成部分，为人类提供几乎无限的清洁能源。
参考链接：
- https://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/2024/2/202422610164298095985.shtm
- https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.065106
- https://physics.ustc.edu.cn/2024/0223/c3586a630461/page.htm