近日，等離子體所EAST大科學工程團隊孫有文三維物理課題組在等離子體本征環向轉動研究方面取得了新進展。基于新經典環向粘滯理論，給出了實驗上觀察到的等離子體自發旋轉的一種新的物理解釋。研究成果以“Symmetry breaking driving spontaneous plasma rotation in tokamak fusion devices”為題發表在核聚變領域權威期刊Nuclear Fusion上，華中科技大學聯合培養博士生李翰輝為文章第一作者。

　　在自然界中等離子體通常是轉動狀態，因為粒子、能量和動量約束都是相互關聯的，所以等離子體旋轉物理學對于理解等離子體動力學和動量約束必不可少。由于等離子體中現象的復雜性，導致等離子體旋轉的機制不止一種，因此在實驗室環境中研究假定的理論機制，可以有效的解決不同機制相互競爭的過程。在托卡馬克中，無外部動量輸入的等離子體內部或自發旋轉已被廣泛觀察到。此外，當等離子體密度超過閾值時，等離子體的固有旋轉會自發地改變方向。盡管在過去的十年里科學家們做了一些努力，但是目前這一現象仍然困擾著我們。經研究發現，在轉動反轉的等離子體內部，通常存在著內扭曲磁流體動力學(MHD)不穩定性引起的鋸齒模，反轉通常發生在鋸齒反轉半徑內。鋸齒震蕩及其前兆模會導致磁通面發生非軸對稱位移，而磁面的非軸對稱位移會使此處產生螺旋紋波從而引起的額外徑向漂移產生非雙極輸運通量，這被稱為新經典環形等離子體粘滯(NTV)。因此，課題組基于NTV物理學的解釋提出了一種托卡馬克中自發環形旋轉反轉的新機制。

　　研究結果表明，在低碰撞等離子體中，由于等離子體密度（碰撞率）的變化，在NTV力矩的作用下，等離子體環向轉動會在離子根和電子根之間躍遷，從而實現了環形旋轉反轉。在NTVTOK（代碼）模擬計算中，假設內扭曲模引起1厘米非軸對稱位移，計算結果很好地再現了實驗觀測到的等離子體密度爬坡過程中環向轉動反轉的主要特征。模擬結果表明，一旦NTV力矩的數值足夠大，則可以顯著改變環向旋轉，其中芯部的旋轉剖面大小與實驗觀測值相當；同時也很好地再現了等離子體旋轉反轉的非線性磁滯過程，并與實驗現象吻合。最近的研究表明，在托卡馬克和反場箍縮(RFP)裝置中都有可能形成芯部的螺旋平衡，在這種平衡狀態下，NTV力矩可以驅動流動，從而改善等離子體約束。先前的研究表明NTV效應會隨著等離子體碰撞強度的減小而增強，因此，在未來的托卡馬克聚變堆中，NTV效應可能在驅動環向流中起到關鍵作用。此次研究提出的驅動等離子體自發旋轉的機制可能有助于未來聚變反應堆實現更經濟的運行方式。

　　以上研究工作得益于EAST大科學裝置團隊成員間的共同協作，研究結果有助于理解非線性分岔物理，拓展對等離子體本征轉動產生的物理認識，對于以后核聚變反應堆轉動研究具有重要的科學意義和應用價值。相關研究受到國家重點研發、國家自然科學基金、國家磁約束核聚變能發展研究專項等項目的資助。

　　論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ac1ab0 

　　圖1：模擬結果顯示的環向轉動反轉與磁滯現象

　　圖2：反轉閾值密度上下對應的NTV力矩剖面（a）、本征轉動剖面（NTV=0）（b）和穩態轉動剖面（動量方程求解）（c）