九州大学应用力学研究所的木下稔基助教和核融合科学研究所的田中让治教授，以及京都大学研究生院能源科学研究科石泽明宏教授等组成的研究团队发表研究成果称，成功地捕捉到了大螺旋装置（LHD）中湍流被抑制的现象。利用激光进行的高精度测量和实验以及使用超级计算机进行的模拟表明，这种抑制现象是在湍流类型产生变化时发生的。上述成果有望推动高效核聚变反应堆的设计。相关研究结果已发表在美国物理学会出版的国际学术期刊《Physical Review letters》6月7日号上。
图1 LHD中的湍流测量（供图：核融合科学研究所）
核聚变发电也就是利用氘和氚聚变成氦时产生的能量来发电。由于不排放二氧化碳，而且可以从海水中回收氘和氚，因此作为可持续能源，全世界都在推进实际应用研究。原则上，为了产生核聚变反应，需要将氘和氚加热到1亿摄氏度以上的等离子体温度，并将这种等离子体束缚在磁场形成的“磁笼”中。
然而，等离子体中的湍流会导致等离子体流出磁笼，导致温度和密度降低，进而降低氘和氚的碰撞效率。因此，抑制湍流便成为实现核聚变发电必须解决的关键课题。
对此，研究团队通过核融合科学研究所的LHD进行了实验，并使用超级计算机进行模拟来阐明湍流的特征。核融合科学研究所的LHD配备了多个测量系统，还能够使用核融合科学研究所的专门用于核聚变领域的超级计算机“等离子体模拟器·雷神”来进行模拟计算。
在实验中，研究团队首先使用轻氢在加热功率为1.4MW的条件下，使等离子体的密度在每10万亿个/立方厘米到50万亿个粒子/立方厘米的范围内变化，并利用激光高精度地测量了各个密度下产生的湍流。这个测量系统能够以每秒100万次的速度测量湍流。
测量结果显示，湍流在达到特定密度（转变密度）前先逐渐减小，之后开始增大。此外，还观察到湍流方向以转变密度为分界线发生逆转（湍流迁移）的现象。
当使用超级计算机对这种湍流转变进行模拟分析时，发现低于转变密度时观察到的湍流主要由离子温度梯度驱动，而高于转变密度时观察到的湍流主要由压力梯度和等离子体电阻驱动。
此外，研究团队还使用氘进行了相同的实验并对比了实验结果。
结果发现，具有较大质量的氘会在更高密度下发生湍流转变，并且湍流明显受到抑制。实际的核聚变发电计划使用比实验中质量更大的氘和氚，因此预计湍流会被进一步抑制。
木下助教表示：“本次研究揭示了湍流转变条件就是湍流抑制条件。但是，当加热条件等发生变化时，湍流抑制条件也相应发生变化。所以今后我们会将机器学习应用于各种条件下的等离子体实验，以阐明湍流抑制条件。然后，我们将进行实时等离子体控制以满足这些条件，从而验证在抑制湍流的条件下实现良好束缚的等离子体运动。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Physical Review Letters
论文：Turbulence transition in magnetically confined hydrogen and deuterium plasmas
DOI：10.1103/PhysRevLett.132.235101
