径向电场剪切和磁剪切对离子温度梯度模式的协同作用的研究

径向电场剪切和磁剪切对离子温度梯度模式的协同作用的研究

近期，等离子体物理与聚变工程系蔡辉山教授课题组基于EAST托卡马克混杂运行模式下的典型放电实验，采用GTC回旋动理学程序，系统研究了径向电场剪切与磁剪切对离子温度梯度模的协同作用机制。相关成果以“Synergistic effect between radial electric field and magnetic shear on ion temperature gradient mode”为题，发表于核聚变领域权威期刊《Nuclear Fusion》。论文第一作者为物理学院本科生荆祺恩（现于法国École polytechnique，Institut Polytechnique de Paris攻读物理学硕士学位），通讯作者为马越好博士与蔡辉山教授。

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ae074f

内容简介：

托卡马克中离子温度梯度（Ion Temperature Gradient, ITG）模主导离子热输运，抑制ITG等微观湍流对于形成内部输运垒（Internal Transport Barrier, ITB）至关重要。基于EAST实验位形，我们利用回旋动理学代码（GTC）模拟研究了Er剪切和磁剪切对ITG模式的协同效应。我们发现，Er剪切和磁剪切的协同对ITG的作用取决于两者对ITG模的扭曲作用是相互增强或则削弱。在弱反向磁剪切条件下，负剪切率的Er剪切表现出更有效的稳定作用，因为这两种效应使ITG模向同一方向扭曲。

图1. 左图是不同磁剪切（s）下，ITG模式线性增长率与Er剪切率的关系；右图是弱反磁剪切条件下，不同Er剪切下的ITG模结构。

在非线性模拟中，我们发现，在弱反磁剪切位形下，Er剪切的强度需要超过一定阈值，才可以抑制ITG，并且此时负剪切率的Er剪切相比于正剪切率的Er剪切有着对ITG更好的抑制效果。而在正磁剪切下，我们没有观察到上述阈值，并且正负剪切率的Er剪切对ITG的抑制效果的差别也明显更小。这一结果揭示了在非线性阶段Er剪切和磁剪切对ITG湍流的协同作用。

图2. (左)和(右)分别展示了磁剪切为和时，ITG扰动势和径向相关长度与Er剪切率的关系。

最后，我们基于实验数据计算得到的Er分布，模拟了常见的Er分布下的ITG模。线性模拟结果表明，Er的几何效应对ITG的影响十分重要。Er势阱分布的阱底与ITG模之间的相对位置对于有效稳定ITG模至关重要。这一结果进一步揭示了Er分布演化和ITG湍流抑制、ITB形成之间可能的正反馈关系。

该工作得到了国家磁约束核聚变能发展研究专项、中国科学院战略性先导科技专项B类及合肥先进计算中心的大力支持。