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日前，中國科大物理學院工程與應用物理係王少傑教授課題組在磁約束聚變等離子體湍流輸運和約束模式躍遷的大規模數值模擬研究中取得突破性進展。相關成果以“Self-Organized Evolution of the Internal Transport Barrier in Ion-Temperature-Gradient Driven Gyrokinetic Turbulence”為題發表在國際著名期刊《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett. 132, 065106 (2024))上。中國科大教授王少傑、博士生王子豪、吳天南為論文共同第一作者。
即將建成的國際熱核聚變堆ITER的成功運行依賴於芯部等離子體高約束運行模式的實現，即內部輸運壘的形成。迄今為止，國際上多個裝置已經觀測到多種內部輸運壘的形成；其中對於ITER最有希望的內部輸運壘是芯部弱磁剪切位形下的輸運壘，其形成機製涉及到非線性湍流的預測這一重大科學難題。由於湍流的非線性和複雜性，基於第一性原理的非線性回旋動理學大規模模擬已經成為獨立於傳統的實驗和理論之外的不可或缺的研究手段。國際主流聚變國家在非線性回旋動理學模擬上都有數十年的投入。在科技部ITER專項的支持下，中國科學技術大學和中國科學院等離子體物理研究所前期基於王少傑教授提出的數值李變換方法，自主發展了中國第一個五維相空間非線性湍流大規模並行模擬程序NLT，並廣泛應用於托卡馬克聚變等離子體湍流模擬研究。
研究組近期提出了“臨近平衡更新”(NEU)方法，解決了非線性湍流擾動算法中的久期性困難這一長期困擾科學界的難題；在此基礎上利用NLT程序在國際上首次實現了托卡馬克聚變等離子體中內部輸運壘自組織形成過程的基於第一性原理的數值模擬。結果表明，內部輸運壘在磁軸附近的出現由向內傳播的雪崩過程引起，而其向外擴展則是由向外傳播的雪崩過程引起的自組織結構的突變。
圖.非線性湍流中內部輸運壘的自組織形成和演化
多位國際著名等離子體物理學家高度評價這一工作，“是等離子體湍流研究領域的突破”，“給出了內部輸運壘形成的第一個完整的物理圖像”，“將改變內部輸運壘研究的範式”；“NEU方法將有望應用於一係列重要難題的解決”，“數學方法和物理結果將影響聚變和其他領域”。
該研究得到了科技部ITER專項和國家自然科學基金委麵上項目的支持。
論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.065106
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