“ L-H 转换”物理机制研究获进展
近日，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所针对“L-H转换”物理机制实验研究，在剪切流如何抑制湍流这一关键问题上取得了突破性进展。首次获得磁约束核聚变等离子体从低约束模式（L模）向高约束模式（H模）转换过程中边界湍流径向波数谱移动的实验证据。研究成果发表在《物理评论快报》（ Xu G S, Wan B N, Wang H Q, et al. Physical Review Letters 2016 116 095002）上。
L-H 转换机理是磁约束核聚变界30多年悬而未决的难题，是实现磁约束核聚变能源的重要物理基础之一。目前世界磁约束聚变研究者普遍认为边界剪切流在 L-H 转换过程中扮演了重要的角色，但对边界剪切流如何产生和剪切流如何抑制湍流输运这两个基本问题还不清楚。等离子体所EAST团队依托世界首个超导托卡马克实验装置 EAST 针对 L-H 转换物理机制开展了一系列实验研究。
在最近的 EAST 物理实验中，等离子体所边界物理研究小组利用3x4探针测量阵列，在 L-H 转换之前的几十毫秒首次探测到等离子体边界湍流的径向波数谱移动现象，并且发现波数谱的移动与边界径向电场剪切的时间演化具有相关性；在 L-H 转换过程中波数谱的移动进一步加剧并伴随着边界湍流水平的抑制。湍流径向波数谱移动在几何空间表现为湍流结构朝着一个方向出现有序的倾斜和扭曲。湍流能量被散射到小尺度（高波数空间），在小尺度耗散机制吸收了湍流的能量使得湍流水平得到抑制。实验中并没有观察到等离子体边界湍流雷诺协强及其径向梯度在L-H转换前有显著的幅度变化。
上世纪90年代，磁约束聚变物理界曾在实验观测的基础上建立了“剪切流抑制湍流”的理论模型。1994年在回旋朗道流体湍流模拟中观察到剪切流导致湍流熄灭，并给出了湍流熄灭的判据。随后的大量实验结果与这一湍流熄灭判据相吻合，但剪切流抑制湍流背后的物理机制一直不是很清楚。EAST 团队这一最新的实验研究成果虽然还不能够完全破解L-H转换之谜，但第一次用详实的实验数据揭示了剪切流导致湍流抑制背后的物理机制，为湍流熄灭理论提供了关键性的实验证据。
在 EAST 托卡马克实验中首次给出了 L-H 转换前湍流径向波数谱移动的直接实验证据。图中不同物理量的时间演化分别为：(a) 湍流径向波数谱，其中黑线表示平均径向波数 <kr> 的演化，(b) 偏滤器 Dα 信号，(c) 径向电场 ExB 漂移速度 VExB 、逆磁漂移速度 Vdia 以及静电涨落极向相速度 Vθph ，(d) 等离子体边界分界面内约5mm处的湍流雷诺协强 Re1 及近似分界面处的湍流雷诺协强 Re2 。
来源：中国科学院合肥研究院