美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)和通用原子公司的研究人员模拟了一种神秘的自组织流动的超热等离子体，为聚变反应提供了动力。研究结果表明，向等离子体的核心泵送更多的热量可以驱动不稳定性，从而在容纳热电荷气体的环形托卡马克内部产生等离子体旋转。该旋转可用于改善融合装置的稳定性和性能。

1月份发表在“ 物理评论快报 ”杂志上的研究结果使用了第一原理为基础的等离子体湍流模拟实验，该实验是在通用原子公司为圣地亚哥DOE运营的DIII-D国家融合设施上进行的。该研究结果可以改善ITER中聚变反应的控制，这是法国正在建设的国际实验，以证明聚变能的可行性。这项研究的支持来自DOE科学办公室，该模拟在国家能源研究科学计算中心(NERSC)进行，该中心是劳伦斯伯克利国家实验室的DOE科学用户设施办公室。

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高能束

为了增强等离子体的稳定性和限制，由电子和离子组成的气体通常被称为第四物质状态，物理学家传统上注入高能量的中性原子束。这些高能光束使等离子体的核心和外部区域以不同的速率旋转，产生剪切流动或旋转，从而改善稳定性和限制。一个持久的谜团是等离子体有时如何自发地产生自己的剪切流。

由PPPL物理学家Brian Grierson和Weixing Wang领导的这项新研究表明，等离子体核心的充分加热会产生一种特殊类型的湍流，产生内在扭矩或扭转力，导致等离子体产生自己的剪切流。这些发现与大型未来反应堆有关，因为中性束注入只会在这些设施内的巨大等离子体中产生有限的旋转。

自组织等离子体

PPPL和General Atomics科学家的合作研究发现，当以正确的方式添加热量时，等离子体可以组织起来产生剪切旋转。这个过程是这样的：

加热等离子体的核心产生沿着气体半径的强度波动的湍流。

波动产生“残余应力”，其作用类似于使得等离子体的内部和外部以不同速度彼此相反地旋转的扭矩。

不同的旋转速度代表湍流产生的扭矩和等离子体的粘度之间的平衡，这使得气体不会任意快速地旋转。

研究人员使用GTS代码通过模拟等离子体粒子在磁场周围循环时的行为来模拟湍流等离子体传输的物理特性。模拟通过模拟湍流的固有扭矩和其动量的扩散来预测旋转轮廓。在DIII-D实验中观察到旋转，预测的旋转在形状和大小上非常一致。

接下来的关键挑战是推断ITER的流程。这种建模将需要大量的模拟，这将推动当前可用的高性能超级计算机的极限。“通过仔细的实验​​和对基础物理学的详细模拟，我们开始了解等离子体如何产生自己的剪切旋转，”Grierson说。“这是优化等离子体流动以使聚变等离子体更稳定，并且高效运行的关键步骤。”