聚变研究揭示等离子体湍流双重输运机制

日本核融合科学研究所的研究团队使用位于岐阜县土岐市的大型超导螺旋约束实验装置——大型螺旋装置(LHD)，研究了等离子体核心被短暂加热时热量和湍流如何传播。他们施加短时热脉冲，并使用高精度诊断系统监测响应，该系统利用多个波长的电磁波以微秒时间分辨率和毫米空间分辨率跟踪电子温度、湍流和热流。

测量显示，在核心加热后不久，出现了一种介导湍流形式，它在不到万分之一秒的时间内耦合了等离子体的分离区域，使得远处位置几乎同时响应。这种介导湍流充当了中继器，在远距离区域之间快速传递热量和能量，类似于球员在球场上快速传球。在这个初始阶段之后，第二类湍流更逐渐地将热量向外输送，塑造稳定的温度分布，就像球员持球前进一样。

实验进一步表明，缩短热脉冲持续时间会增强介导湍流，导致热量在等离子体中更快扩散。综合来看，观测结果表明，磁约束等离子体中的湍流发挥着双重作用：它直接将热量向外输送，同时连接远距离区域，使得热量可以突然重新分布到整个装置中。

这项工作首次通过高分辨率实验识别了连接约束等离子体远距离区域的介导型湍流，并首次直接证明了这种湍流同时驱动局部和非局部的热输运。这些结果有助于解释注入核心的热量如何快速到达边缘，并为未来聚变反应堆中热输运的预测模型和控制策略提供基础，包括抑制或修改介导湍流以改善能量约束的方法。由于类似的长程耦合也出现在海洋和大气环流以及材料中的能量传递等系统中，这些发现也可能为物理学和地球科学其他领域的研究提供参考。

摘要