近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院中科院可控核聚變物理前沿重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室蔡輝山教授課題組首次利用GEM代碼，系統(tǒng)揭示了電磁離子溫度梯度湍流驅(qū)動(dòng)電流及其產(chǎn)生機(jī)制。相關(guān)成果以The current driven by the electromagnetic Ion Temperature Gradient turbulence為題，發(fā)表在 Physics of Plasmas 期刊上。論文第一作者為呂瀚洋博士研究生，通訊作者為盧志鑫staff scientist和蔡輝山教授。

湍流驅(qū)動(dòng)電流是一種無需外部驅(qū)動(dòng)即可在托卡馬克內(nèi)部“自發(fā)”生成的平行電流，對(duì)未來聚變電站長(zhǎng)脈沖穩(wěn)態(tài)運(yùn)行具有潛在影響。過去的數(shù)值工作主要停留在靜電極限，對(duì)電磁效應(yīng)如何調(diào)控電流幾乎沒有定量認(rèn)識(shí)。為彌補(bǔ)這一空白，研究團(tuán)隊(duì)以國(guó)際公認(rèn)的 DIII-D Cyclone Base Case 平衡剖面為基準(zhǔn)，開展了兩大類模擬：其一為單環(huán)向模(n = 0, 20)的精細(xì)物理分析;其二為多模(Δn = 2，n = 0, 6–44)的定量評(píng)估，以便同時(shí)捕獲細(xì)結(jié)構(gòu)形成過程和多模耦合效應(yīng)。

得益于GEM代碼中任意波長(zhǎng)求解方法，研究團(tuán)隊(duì)得以解析出僅相當(dāng)于離子拉莫爾半徑寬度的“電流尖峰”——這是一種緊貼有理面的徑向電流結(jié)構(gòu)。在單模模擬、比壓β從0.01%升至0.4%的過程中，電流的強(qiáng)度幾乎保持恒定，因此在這個(gè)范圍之內(nèi)，湍流驅(qū)動(dòng)電流的幅度對(duì)電磁效應(yīng)不敏感。單模結(jié)果顯示，在線性階段，湍流驅(qū)動(dòng)電流主要由動(dòng)量通量的散度驅(qū)動(dòng)，尤其是其靜電組分，而湍流加速項(xiàng)在所研究的β區(qū)間均保持次要地位;同時(shí)，在線性階段中，盡管電流的驅(qū)動(dòng)始終由動(dòng)量通量的散度的靜電分量占主導(dǎo)，但是動(dòng)量通量的散度項(xiàng)和湍流加速項(xiàng)內(nèi)部的電磁分量都隨著電磁效應(yīng)的增強(qiáng)而增強(qiáng)。更為細(xì)致的相空間診斷揭示，湍流驅(qū)動(dòng)電流主要由通行粒子貢獻(xiàn)，且隨著電磁效應(yīng)的增加，相空間的結(jié)構(gòu)在平行速度的方向上愈加對(duì)稱。在多模模擬中，湍流電流呈現(xiàn)更為豐富的徑向分布，更引人注目的是，在某些特定的位置，湍流驅(qū)動(dòng)電流密度可達(dá)到平衡電流密度的同一量級(jí)，同時(shí)在某些特定的位置，其幅度會(huì)超過靴帶電流。這一結(jié)果意味著，即便在文中研究的無碰撞極限下，湍流驅(qū)動(dòng)電流足以在湍流的時(shí)間尺度下顯著改變安全因子剖面，值得進(jìn)一步深入研究。

本項(xiàng)研究不僅彌補(bǔ)了電磁 ITG 場(chǎng)景下湍流驅(qū)動(dòng)電流定量研究的空缺，還為高 β 裝置中的電流演化預(yù)測(cè)提供了可驗(yàn)證的數(shù)值數(shù)據(jù)集;同時(shí)，工作展示的全局電磁模擬框架為未來繼續(xù)考察動(dòng)理學(xué)氣球模、碰撞耗散等問題提供了一種可行的研究方法。該成果得到了國(guó)家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)B類及合肥先進(jìn)計(jì)算中心的大力支持。