聚變能是兩個(gè)輕原子核結(jié)合形成一個(gè)較重原子核(核聚變反應(yīng))時(shí)釋放的能量。利用聚變能發(fā)電(聚變發(fā)電廠(chǎng))利用的是氘和氚結(jié)合形成氦時(shí)產(chǎn)生的能量。核聚變反應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳。此外，由于可以從海水中提取氘和氚，聚變能被視為可持續(xù)能源，近年來(lái)其實(shí)際應(yīng)用研究進(jìn)展迅速。要引發(fā)聚變反應(yīng)，必須將氘和氚加熱到1億攝氏度以上以形成等離子體，然后將其保持在強(qiáng)磁“籠”中。但是，當(dāng)?shù)入x子體中激發(fā)湍流時(shí)，等離子體會(huì)從磁“籠”中流出。因此，湍流是聚變研究的重要課題，抑制湍流對(duì)于實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電廠(chǎng)至關(guān)重要。對(duì)于湍流抑制，了解湍流激發(fā)的物理機(jī)制至關(guān)重要，而 LHD 是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的完美設(shè)備。例如，湍流測(cè)量通常并不容易，但我們已成功測(cè)量

不僅其振幅，而且其空間輪廓和傳播方向也通過(guò)精密激光診斷 *5 (圖1)進(jìn)行了測(cè)量。此外，這一系列實(shí)驗(yàn)是在LHD的氘實(shí)驗(yàn)期間(2017-2022)*6進(jìn)行的 ，并研究了湍流的離子質(zhì)量依賴(lài)性。

結(jié)果

由九州大學(xué)應(yīng)用力學(xué)研究所助理教授木下敏樹(shù)、國(guó)立自然科學(xué)研究院核聚變科學(xué)研究所教授田中健二和京都大學(xué)能源科學(xué)研究科教授石澤章宏等人領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，在相同的加熱條件下，進(jìn)行了改變氫等離子體密度(電子和離子的數(shù)量)的實(shí)驗(yàn)，以全面了解 LHD 中的湍流。同時(shí)，對(duì)湍流進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在某一密度(過(guò)渡密度)下，湍流受到的抑制最大，在過(guò)渡密度以下，隨著密度的增加，湍流減少(圖 2 中的紫色區(qū)域)，但在過(guò)渡密度以上，湍流開(kāi)始增加(圖 2 中的橙色區(qū)域)。此外，還觀察到湍流傳播方向在過(guò)渡密度之后發(fā)生逆轉(zhuǎn)。該結(jié)果暗示湍流性質(zhì)在過(guò)渡密度(湍流過(guò)渡)附近發(fā)生變化。

隨后，為了證實(shí)湍流轉(zhuǎn)變，我們?cè)?Raijin 超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)變密度以下觀察到的湍流主要由離子溫度梯度引起，而在轉(zhuǎn)變密度以上觀察到的湍流主要由壓力梯度和等離子體電阻率引起。此外，我們還發(fā)現(xiàn)湍流的這種變化是湍流抑制的重要物理機(jī)制。因此，通過(guò)充分利用實(shí)驗(yàn)和模擬，我們揭示了觀察到的湍流抑制是由于湍流模式的變化，即湍流轉(zhuǎn)變。

此外，在相同條件下對(duì)氘等離子體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并與氫等離子體進(jìn)行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于氘等離子體，在更高密度下會(huì)發(fā)生湍流躍遷，即湍流在更高密度下受到抑制(圖3)。此外，令人驚訝的是，在躍遷密度以上觀察到的湍流在氘等離子體中明顯受到抑制。在氘等離子體中觀察到的高密度湍流抑制意味著，在設(shè)想用于聚變發(fā)電的更高密度和更重質(zhì)量的氘/氚混合等離子體中，湍流將進(jìn)一步受到抑制。這對(duì)于早日實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電是一個(gè)有利的結(jié)果。

未來(lái)的計(jì)劃

這項(xiàng)研究表明，湍流在湍流躍遷過(guò)程中受到的抑制最大，并且氘等離子體中的湍流躍遷密度高于氫等離子體。不同的躍遷密度意味著湍流躍遷條件不僅僅由電子??密度決定。下一步是根據(jù)湍流的物理背景確定湍流躍遷條件，并為聚變發(fā)電廠(chǎng)開(kāi)發(fā)具有低湍流條件的創(chuàng)新運(yùn)行場(chǎng)景。我們還希望將我們的研究擴(kuò)展到氘/氚混合等離子體的外推及其在工廠(chǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以找到實(shí)現(xiàn)聚變能的有效解決方案。