新湍流輸運模型展示加熱等離子體多尺度波動—新聞—科學網

2021-01-19 科學網

 

由通用原子公司運行的美國能源部科學辦公室所屬用戶設施——DIII-D國家聚變裝置的研究人員，利用物理性能降低的等離子體湍流流體模型解釋了託卡馬克試驗中意想不到的密度輪廓性質。為等離子湍流行為建模，或能幫助科學家優化諸如國際熱核實驗反應堆（ITER）等未來核聚變反應堆中的託卡馬克性能。

加熱託卡馬克會產生很多有趣的現象，比如等離子體旋轉和密度的變化。DIII-D研究人員建立了多種加熱方法，比如產生電子加熱的微波或者產生離子加熱的中性束，如何影響等離子體密度、雜質行為和湍流輸運的模型。不同的加熱方法會在長（離子）尺度和短很多（電子）的尺度上驅動湍流。

這項日前在美國物理聯合會（AIP）出版集團所屬《等離子體物理學》雜誌上發表的研究表明，加熱聚變反應堆中的電子導致等離子體中的密度梯度發生重要變化。該模型預測，加熱會在離子和電子尺度之間的波長上激起湍流，並且產生改變等離子體整體密度輪廓的粒子箍縮。研究人員還利用簡化的輸運模型預測了聚變反應堆中的雜質傳送。

利用DIII-D國家聚變裝置開展研究的普林斯頓大學等離子體實驗室物理學家Brian Grierson介紹說，當加熱等離子體時，改變的不只是溫度，還改變了對等離子體密度和旋轉產生二次影響的現有湍流種類。

通常，由加熱等離子體中心到冷等離子體邊緣的熱量流動驅動湍流擴散，而這應當會讓密度梯度變平。「不過，一件吸引人的事情是有時給聚變反應堆加熱導致其產生密度梯度而非令其變平。」Grierson表示。密度峰化很重要，因為託卡馬克內氘和氚粒子之間的聚變反應隨著等離子體密度的增加而增加。換句話說，「聚變能同等離子體密度的平方成正比」。（宗華）

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