中国科大发现磁约束聚变等离子体磁轴附近湍流抑制的曲率和低磁剪切效应
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日前，中国科大物理学院工程与应用物理系王少杰教授课题组在磁约束聚变等离子体近轴内部输运垒的形成机制研究中取得重要进展。该研究首次揭示了在托卡马克磁轴附近，几何曲率效应与弱磁剪切协同作用对离子温度梯度（ITG）不稳定性的关键调控机制，阐明了弱磁剪切芯部输运垒的形成原理。1月5日，相关成果以“Effects of Geometric Curvature and Weak Magnetic Shear on the Ion-Temperature Gradient Instability Near the Magnetic Axis in a Tokamak”为题发表在国际著名期刊《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 136, 015102 (2026))上。
内部输运垒的形成是实现芯部等离子体高约束运行、保证国际热核聚变实验堆（ITER）成功运行的关键。其中，在芯部弱磁剪切位型下自发形成的输运垒被视为最有希望的运行模式。然而，对于ITG湍流如何在磁轴附近被有效抑制，以及弱磁剪切为何在其中不可或缺，其微观物理机制长期以来不甚明晰。
研究团队基于自主发展的五维相空间非线性回旋动理学大规模并行模拟程序NLT，首次对磁轴附近的ITG不稳定性进行了全局线性模拟研究。研究发现，磁轴附近的平均径向电场（Er）势阱仅能在弱磁剪切位型中显著提高ITG模的临界温度不稳定梯度，而在强磁剪切下几乎无效。这一现象来源于几何曲率效应对E×B剪切率的调控。具体表现为，在Er势阱的内半区，几何曲率效应几乎抵消了E×B剪切；而在外半区，其效应则加倍。因此，位于Er势阱内半区的ITG模需要弱磁剪切效应来稳定。
进一步的长时间非线性模拟结果支持了上述线性物理图像，并成功再现了在弱磁剪切位型下ITB的形成过程，而在强磁剪切位型下则无法形成ITB，与实验观察一致。
图.磁轴附近Er势阱仅在弱磁剪切下抬升ITG临界温度梯度
审稿人认为，该研究揭示了在磁轴附近存在一种新的抑制ITG模湍流的机制。该研究得到了科技部ITER专项，国家自然科学基金委面上项目，以及中国科学院战略性先导科技专项的支持。
中国科大吴天南博士研究生为论文第一作者，王少杰教授为通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1103/mysq-8cv3
（物理学院工程与应用物理系、科研部）
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