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日前，中(zhong)(zhong)國(guo)科大物理學院工程與應(ying)用(yong)物理系王(wang)(wang)少(shao)杰教授課題(ti)組在磁約(yue)束聚變(bian)等離子體(ti)湍流輸運和約(yue)束模(mo)式躍遷的大規模(mo)數值模(mo)擬研究中(zhong)(zhong)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(ti)發表在國(guo)際著名期刊《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett. 132, 065106 (2024))上(shang)。中(zhong)(zhong)國(guo)科大教授王(wang)(wang)少(shao)杰、博(bo)士生王(wang)(wang)子豪(hao)、吳天南為論文共(gong)同第一作者。
即(ji)將建成(cheng)的國(guo)際(ji)(ji)熱核聚變(bian)(bian)堆ITER的成(cheng)功運(yun)行依賴于(yu)(yu)芯部等(deng)離子(zi)體(ti)高約束運(yun)行模(mo)(mo)(mo)式的實現，即(ji)內(nei)(nei)部輸運(yun)壘(lei)的形(xing)成(cheng)。迄今為止，國(guo)際(ji)(ji)上多個裝置(zhi)已經觀測到(dao)多種內(nei)(nei)部輸運(yun)壘(lei)的形(xing)成(cheng)；其中對(dui)于(yu)(yu)ITER最有希望(wang)的內(nei)(nei)部輸運(yun)壘(lei)是芯部弱磁(ci)剪(jian)切位形(xing)下(xia)的輸運(yun)壘(lei)，其形(xing)成(cheng)機制涉(she)及到(dao)非線性湍流(liu)的預測這一(yi)重大科(ke)(ke)(ke)學(xue)(xue)難(nan)題。由(you)于(yu)(yu)湍流(liu)的非線性和復雜性，基于(yu)(yu)第一(yi)性原理(li)(li)的非線性回(hui)旋動理(li)(li)學(xue)(xue)大規(gui)模(mo)(mo)(mo)模(mo)(mo)(mo)擬已經成(cheng)為獨(du)立于(yu)(yu)傳統的實驗(yan)和理(li)(li)論之外(wai)的不可(ke)或(huo)缺的研究手段。國(guo)際(ji)(ji)主(zhu)流(liu)聚變(bian)(bian)國(guo)家在(zai)非線性回(hui)旋動理(li)(li)學(xue)(xue)模(mo)(mo)(mo)擬上都(dou)有數(shu)十年的投入。在(zai)科(ke)(ke)(ke)技部ITER專項的支持下(xia)，中國(guo)科(ke)(ke)(ke)學(xue)(xue)技術大學(xue)(xue)和中國(guo)科(ke)(ke)(ke)學(xue)(xue)院等(deng)離子(zi)體(ti)物理(li)(li)研究所前期基于(yu)(yu)王少杰教授提(ti)出的數(shu)值李變(bian)(bian)換方(fang)法，自主(zhu)發展了中國(guo)第一(yi)個五維(wei)相空間非線性湍流(liu)大規(gui)模(mo)(mo)(mo)并行模(mo)(mo)(mo)擬程序NLT，并廣泛應用(yong)于(yu)(yu)托(tuo)卡馬克聚變(bian)(bian)等(deng)離子(zi)體(ti)湍流(liu)模(mo)(mo)(mo)擬研究。
研究組(zu)近(jin)期提出了“臨近(jin)平衡更新”(NEU)方(fang)法(fa)，解決了非線性湍流擾動算法(fa)中的(de)(de)久期性困(kun)難這一(yi)長期困(kun)擾科學界的(de)(de)難題；在(zai)此(ci)基礎上利用NLT程(cheng)序在(zai)國際上首次(ci)實(shi)現了托卡馬(ma)克聚變(bian)等離子體中內部輸運(yun)壘自組(zu)織形成過程(cheng)的(de)(de)基于第一(yi)性原理的(de)(de)數值模擬。結(jie)果表明，內部輸運(yun)壘在(zai)磁軸(zhou)附(fu)近(jin)的(de)(de)出現由向內傳播(bo)的(de)(de)雪崩過程(cheng)引起，而其向外擴展則(ze)是由向外傳播(bo)的(de)(de)雪崩過程(cheng)引起的(de)(de)自組(zu)織結(jie)構的(de)(de)突變(bian)。
圖(tu).非(fei)線性湍(tuan)流(liu)中內部(bu)輸(shu)運壘的自組織形成和演化(hua)
多位國際著名等(deng)(deng)離子體(ti)物(wu)理(li)(li)學(xue)家高度(du)評(ping)價這一(yi)工作(zuo)，“是等(deng)(deng)離子體(ti)湍流研究(jiu)領域(yu)的突破”，“給出了(le)內部(bu)輸運(yun)壘形成的第一(yi)個完整的物(wu)理(li)(li)圖像”，“將改變內部(bu)輸運(yun)壘研究(jiu)的范式”；“NEU方(fang)法將有望應用于(yu)一(yi)系列(lie)重要(yao)難題的解決”，“數學(xue)方(fang)法和物(wu)理(li)(li)結果將影(ying)響聚變和其他領域(yu)”。
該研(yan)究得到了科技部ITER專項(xiang)和國(guo)家(jia)自然科學基金(jin)委面上項(xiang)目(mu)的支持。
論(lun)文鏈接：//link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.065106
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