合肥研究院在“L-H轉(zhuǎn)換”物理機(jī)制研究中取得進(jìn)展

　　近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所針對(duì)“L-H轉(zhuǎn)換”物理機(jī)制實(shí)驗(yàn)研究，在剪切流如何抑制湍流這一關(guān)鍵問(wèn)題上取得了突破性進(jìn)展。首次獲得磁約束核聚變等離子體從低約束模式（L模）向高約束模式（H模）轉(zhuǎn)換過(guò)程中邊界湍流徑向波數(shù)譜移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Xu G S, Wan B N, Wang H Q, et al. Physical Review Letters 2016 116 095002）上。

　　L-H轉(zhuǎn)換機(jī)理是磁約束核聚變界30多年懸而未決的難題，是實(shí)現(xiàn)磁約束核聚變能源的重要物理基礎(chǔ)之一。目前世界磁約束聚變研究者普遍認(rèn)為邊界剪切流在L-H轉(zhuǎn)換過(guò)程中扮演了重要的角色，但對(duì)邊界剪切流如何產(chǎn)生和剪切流如何抑制湍流輸運(yùn)這兩個(gè)基本問(wèn)題還不清楚。等離子體所EAST團(tuán)隊(duì)依托世界首個(gè)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置EAST針對(duì)L-H轉(zhuǎn)換物理機(jī)制開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)研究。

　　在最近的EAST物理實(shí)驗(yàn)中，等離子體所邊界物理研究小組利用3x4探針測(cè)量陣列，在L-H轉(zhuǎn)換之前的幾十毫秒首次探測(cè)到等離子體邊界湍流的徑向波數(shù)譜移動(dòng)現(xiàn)象，并且發(fā)現(xiàn)波數(shù)譜的移動(dòng)與邊界徑向電場(chǎng)剪切的時(shí)間演化具有相關(guān)性；在L-H轉(zhuǎn)換過(guò)程中波數(shù)譜的移動(dòng)進(jìn)一步加劇并伴隨著邊界湍流水平的抑制。湍流徑向波數(shù)譜移動(dòng)在幾何空間表現(xiàn)為湍流結(jié)構(gòu)朝著一個(gè)方向出現(xiàn)有序的傾斜和扭曲。湍流能量被散射到小尺度（高波數(shù)空間），在小尺度耗散機(jī)制吸收了湍流的能量使得湍流水平得到抑制。實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有觀察到等離子體邊界湍流雷諾協(xié)強(qiáng)及其徑向梯度在L-H轉(zhuǎn)換前有顯著的幅度變化。

　　上世紀(jì)90年代，磁約束聚變物理界曾在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的基礎(chǔ)上建立了“剪切流抑制湍流”的理論模型。1994年在回旋朗道流體湍流模擬中觀察到剪切流導(dǎo)致湍流熄滅，并給出了湍流熄滅的判據(jù)。隨后的大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果與這一湍流熄滅判據(jù)相吻合，但剪切流抑制湍流背后的物理機(jī)制一直不是很清楚。EAST團(tuán)隊(duì)這一最新的實(shí)驗(yàn)研究成果雖然還不能夠完全破解L-H轉(zhuǎn)換之謎，但第一次用詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示了剪切流導(dǎo)致湍流抑制背后的物理機(jī)制，為湍流熄滅理論提供了關(guān)鍵性的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

　　在EAST托卡馬克實(shí)驗(yàn)中首次給出了L-H轉(zhuǎn)換前湍流徑向波數(shù)譜移動(dòng)的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。圖中不同物理量的時(shí)間演化分別為：(a) 湍流徑向波數(shù)譜，其中黑線表示平均徑向波數(shù)的演化，(b) 偏濾器Dα信號(hào)，(c) 徑向電場(chǎng)ExB漂移速度VExB、逆磁漂移速度Vdia以及靜電漲落極向相速度Vθph，(d) 等離子體邊界分界面內(nèi)約5mm處的湍流雷諾協(xié)強(qiáng)Re1及近似分界面處的湍流雷諾協(xié)強(qiáng)Re2。