日前,，中國科大物理學(xué)院工程與應(yīng)用物理系王少杰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(guī)模數(shù)值模擬研究中取得突破性進(jìn)展,。相關(guān)成果以“Self-Organized Evolution of the Internal Transport Barrier in Ion-Temperature-Gradient Driven Gyrokinetic Turbulence”為題發(fā)表在國際著名期刊《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett. 132, 065106 (2024)）上。中國科大教授王少杰,、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的成功運行依賴于芯部等離子體高約束運行模式的實現(xiàn),，即內(nèi)部輸運壘的形成。迄今為止,，國際上多個裝置已經(jīng)觀測到多種內(nèi)部輸運壘的形成,；其中對于ITER最有希望的內(nèi)部輸運壘是芯部弱磁剪切位形下的輸運壘，其形成機(jī)制涉及到非線性湍流的預(yù)測這一重大科學(xué)難題,。由于湍流的非線性和復(fù)雜性,，基于第一性原理的非線性回旋動理學(xué)大規(guī)模模擬已經(jīng)成為獨立于傳統(tǒng)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(xué)模擬上都有數(shù)十年的投入,。在科技部ITER專項的支持下,，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中國科學(xué)院等離子體物理研究所前期基于王少杰教授提出的數(shù)值李變換方法，自主發(fā)展了中國第一個五維相空間非線性湍流大規(guī)模并行模擬程序NLT,，并廣泛應(yīng)用于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(xué)界的難題,；在此基礎(chǔ)上利用NLT程序在國際上首次實現(xiàn)了托卡馬克聚變等離子體中內(nèi)部輸運壘自組織形成過程的基于第一性原理的數(shù)值模擬,。結(jié)果表明，內(nèi)部輸運壘在磁軸附近的出現(xiàn)由向內(nèi)傳播的雪崩過程引起,，而其向外擴(kuò)展則是由向外傳播的雪崩過程引起的自組織結(jié)構(gòu)的突變,。
圖.非線性湍流中內(nèi)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(xué)家高度評價這一工作，“是等離子體湍流研究領(lǐng)域的突破”,，“給出了內(nèi)部輸運壘形成的第一個完整的物理圖像”,，“將改變內(nèi)部輸運壘研究的范式”,；“NEU方法將有望應(yīng)用于一系列重要難題的解決”,，“數(shù)學(xué)方法和物理結(jié)果將影響聚變和其他領(lǐng)域”。
該研究得到了科技部ITER專項和國家自然科學(xué)基金委面上項目的支持,。
論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.065106
（物理學(xué)院工程與應(yīng)用物理系,、科研部）
