近日，由中国科学技术大学等离子物理与聚变工程系（52系）KTX团队兰涛副教授带领的边界等离子体组在核工业西南物理研究院的中国环流器二号A装置（HL-2A）上取得重要研究进展。团队首次通过实验证实，在持续中性束注入加热条件下，等离子体边界湍流可通过逆级联过程自发组织形成大尺度相干结构，驱动宽频带向内粒子输运。这一发现突破了传统认识中湍流仅导致能量和粒子向外（梯度方向）耗散的认知局限，为理解等离子体自组织行为及优化磁约束聚变装置约束性能提供了新的物理视角。研究成果以“Turbulence self-organization via inverse cascade drives broadband inward particle transport at the HL-2A plasma edge”为题，发表于磁约束聚变领域国际权威期刊《Nuclear Fusion》。论文第一作者为我校特任副研究员吴捷，通讯作者为兰涛副教授。
1.逆梯度输运的研究背景
在磁约束聚变研究领域，等离子体边界湍流通常被视为导致能量和粒子快速损失、约束性能下降的主要因素。由微观不稳定性引发的随机涨落，会使粒子和能量横越磁力线向外输运，其输运速率远超经典输运理论的预测值，这一现象被称为反常输运。这些涨落导致芯部高温高密度等离子体向外快速耗散，从而降低整体约束性能。近年来，通过调控湍流的相位关系来改变输运方向的新思路逐渐引起关注，即通过改变互相角使涨落粒子输运发生逆转，从通常的顺梯度向外输运转变为逆梯度向内输运。
逆梯度输运现象在自然界中并不罕见，如流体力学中由表面张力梯度驱动的马拉高尼效应、地球物理中由科里奥利力引发的埃克曼输运等。在环形磁约束聚变装置中，逆梯度输运被认为有助于等离子体稳定性、促进输运垒的形成，从而提高约束性能。然而，其产生机制尚未完全阐明。早期研究多将其归因于径向电场的剪切效应，但近年来的实验发现，向内输运的发生区域与最大电场剪切区域并不重合，暗示可能存在更深层次的物理机制。
2.输运方向的逆转与湍流结构的重组
研究团队利用HL-2A装置上的快速移动探针系统，对边界等离子体进行了高精度测量。实验发现，在NBI加热过程的特定阶段，原本由湍流驱动的向外粒子输运逐渐减弱，最终转变为显著的向内粒子输运，如图1（a）所示。
图 1 不同炮放电的等离子体参数的时间演化（蓝#31481有向内输运，红#31479无向内输运），（a）边界涨落粒子输运，密度和径向速度的（b）互相角和（c）互相关系数，（d）密度涨落幅度，（f）径向速度涨落幅度。
进一步分析表明，输运方向的转变源于密度涨落与径向速度涨落之间“协同性”的改变，即两者的互相角从“同相”转变为“反相”，直接导致涨落输运方向的逆转。而互相关系数在整个输运方向逆转过程中经历了从“强相关—弱相关—强相关”的演变，如图2（a、c）所示。特别是在“向内输运”阶段，仅贡献主要向内通量的低频涨落（< 30 kHz），其互相关系数重新恢复至高相关状态。这些结果证实了，涨落幅度的变化并非输运方向转变的主因，而30 kHz以下低频涨落参量互相关性的增强才是影响互相角变化、进而驱动向内输运的核心因素。
图 2 不同炮放电的等离子体参数的时频谱，存在向内输运放电中的（a）粒子通量和（c）密度和径向速度的互相关系数；不存在向内输运放电中的（b）粒子通量和（d）互相关系数。
与此同时，湍流的空间结构也发生了显著变化。在“向内输运”阶段，低频湍流的波数谱明显变窄，相应的相干长度显著增加。这表明原本杂乱无章的小尺度湍流涡旋通过相互作用融合成为空间尺度更大的相干结构，如图3所示。这种自组织过程体现为能量从高频、小尺度涨落向低频、大尺度模式的聚集，同时伴随着相干长度的增长和相位关系的同步化。
图 3 波数时频谱（a）极向波数和（b）径向波数，不同时段的极向波长（c）“向外输运”阶段和（e）“向内输运”阶段；不同时段的径向波长（d）“向外输运”和（f）“向内输运”阶段。
3.向内输运的驱动机制研究
上述观测结果可在二维湍流双级联框架下得到系统解释。在二维流体系统中，存在两个并行的能量传递通道，即能量逆向级联过程和正向级联过程。研究发现，能量逆级联过程在这一自组织现象中起核心作用，即能量从高频、小尺度的湍流中持续抽取，向低频、大尺度的结构传递，最终“凝结”成高度有序的相干结构。正是这些大尺度结构使得速度涨落与密度涨落之间建立起稳定的相位关系，从而驱动逆梯度的向内粒子流。与此同时，小尺度湍流上的正向级联过程则持续耗散能量，维持背景扩散过程的平衡。本研究中的“输运抑制”阶段同时观测到向内和向外输运分量共存，为双级联理论的并行运作提供了直接实验证据。
图 4 存在向内输运放电中的参量时频谱（a）雷诺胁强，（b）雷诺胁强参量的互相关系数；不存在向内输运放电中的参量时频谱（c）雷诺胁强，（d）雷诺胁强参量的互相关系数；存在向内输运放电中（e）不同时段雷诺胁强的频谱；不同放电数据中雷诺胁强参量互相关系数的时间演化。
通过雷诺胁强这一表征湍流动量输运的关键量，可近似表示为：
（1）
该表达式揭示了雷诺胁强对于湍流空间结构的依赖关系，将径向与极向波数的关联与动量输运联系起来。进一步将其按频域分解为：
（2）
结果表明，在进入“向内输运”阶段，30kHz以下低频段的雷诺胁强显著增强（图4（a）），这正是向内粒子输运的主要贡献频段。与此对应，同频段内速度涨落的互相关性也显著提升（图4（b））。而对于无向内输运的放电，整个过程中雷诺胁强无明显变化（图4（c））。平均相关性的时间演化进一步证实了这一差异（图4（f））。
值的注意的是，高频速度涨落的互相关性在“输运抑制”阶段即已开始增强，直至向内输运达到峰值。这一演化时序揭示了一个关键的物理图像，即高频涨落相关性的增强是发生能量逆级联的前提，小尺度模式间非线性耦合的增强为能量向大尺度的逐级传递创造了条件。尽管高频涨落从“输运抑制”阶段起即开始组织，但只有低频涨落也进入强相关状态，跨尺度能量传递的通路才算完全建立。这一过程，即能量注入、小尺度相关性重组、能量逆级联、大尺度相干结构形成，构成了从微观相互作用到宏观输运反转的动力学链条。
4.结论
本研究系统揭示了HL-2A托卡马克装置边界等离子体涨落驱动向内输运的物理机理。在充分的能量输入下，通过雷诺胁强相干性增强驱动，导致低频涨落的同步化和跨尺度相干结构的形成，最终促使逆梯度的宽频向内粒子输运的产生，将微观多尺度湍流动力学与宏观输运分岔联系起来。
托卡马克边界湍流中的向内输运并非由孤立涨落维持，而是由径向与极向速度涨落强关联的跨维度组织化状态所驱动。在自然界与磁约束等离子体中，维持复杂的能量通道动力学需要高度的时空组织。主动促进或维持这种相干湍流结构，例如通过影响特定频段的涨落，可能为调控边界输运开辟新途径。将高频相干性识别为向内输运产生的先兆信号，为输运分岔提供了潜在的诊断标志。深入理解和驾驭湍流自组织与跨尺度耦合的原理，将是未来聚变反应堆实现粒子控制与约束性能优化的关键科学基础。
该项研究得到了国家磁约束核聚变能发展研究专项（2024YFE03130003, 2022YFE03060003, 2022YFE03100004）、国家自然科学基金（12405268, 12175227, 11875255, 12375226, 11975231）、中国博士后科学基金（2022M723066）、中央高校基本科研业务费专项资金（WK2140000016）以及中国科学院合肥科学中心协同创新计划（2022HSC-CIP022）的资助。更多详情，请参阅原文链接： https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ad67f2。
关键词：向内输运、逆级联、湍流
研究团队的向内输运系列研究工作如下：
Jie. Wu, Tao. Lan, Weixing. Ding, et al “Counteracting sawtooth crash effects via fluctuation-induced inward transport in HL-2A NBI plasma”, 2024 Nucl. Fusion 64 096031. DOI: 10.1088/1741-4326/ad67f2;
Jie. Wu, Tao. Lan, Weixing. Ding, et al “Investigating the distinct inward flux events following sawtooth crashes in HL-2A NBI plasmas”, 2025 Journal of University of Science and Technology of China 55 0403. DOI: 10.52396/JUSTC-2024-0126;
Jie. Wu, Tao. Lan, Weixing. Ding, et al “Fluctuation-induced inward particle flux during L–I–H transition on HL-2A tokamak”, 2021 Nucl. Fusion 61 066003.
Jie. Wu, Tao. Lan, Ge. Zhuang, et al “Observation of inward transport flux accompanied with the long-lived mode during the L-H transitionin the HL-2A tokamak”, 2020 Phys. Plasmas27 012304.DOI10.1063/1.5126070;
Kangning. Geng, Defeng. Kong, Tao. Lan, et al “Study of electromagnetic mode contributing inward particle pinch in the scrape-off layer during H-mode discharge”, 2019 Plasma Phys. Control. Fusion 61 064002. DOI10.1088/1361-6587/ab00d1;
Defeng. Kong, Tao. Lan, Ahdi. Liu, et al “Dynamics of the pedestal in the recovery phase between type-III ELMs”, 2018 Nucl. Fusion58 034003. DOI10.1088/1741-4326/aaa717;
Defeng. Kong, Tao. Lan, Ahdi. Liu, et al “Study of instability driving inward particle flux during the formation of transport barriers at the edge of the HL-2A tokamak”, 2017 Nucl. Fusion57 014005. DOI 10.1088/0029-5515/57/1/014005.
联系电话：
联系邮箱：
联系地址：