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即將建成的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）的成功運(yùn)行依賴于芯部等離子體高約束運(yùn)行模式的實(shí)現(xiàn)，即內(nèi)部輸運(yùn)壘的形成。迄今為止，國(guó)際上多個(gè)裝置已經(jīng)觀測(cè)到多種內(nèi)部輸運(yùn)壘的形成；其中對(duì)于ITER最有希望的內(nèi)部輸運(yùn)壘是芯部弱磁剪切位形下的輸運(yùn)壘，其形成機(jī)制涉及到非線性湍流的預(yù)測(cè)這一重大科學(xué)難題。

由于湍流的非線性和復(fù)雜性，基于第一性原理的非線性回旋動(dòng)理學(xué)大規(guī)模模擬已經(jīng)成為獨(dú)立于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和理論之外的不可或缺的研究手段。國(guó)際主流聚變國(guó)家在非線性回旋動(dòng)理學(xué)模擬上都有數(shù)十年的投入。在科技部ITER專項(xiàng)的支持下，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所前期基于王少杰教授提出的數(shù)值李變換方法，自主發(fā)展了中國(guó)第一個(gè)五維相空間非線性湍流大規(guī)模并行模擬程序NLT，并廣泛應(yīng)用于托卡馬克聚變等離子體湍流模擬研究。

研究組近期提出了“臨近平衡更新”（NEU）方法，解決了非線性湍流擾動(dòng)算法中的久期性困難這一長(zhǎng)期困擾科學(xué)界的難題；在此基礎(chǔ)上利用NLT程序在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了托卡馬克聚變等離子體中內(nèi)部輸運(yùn)壘自組織形成過程的基于第一性原理的數(shù)值模擬。結(jié)果表明，內(nèi)部輸運(yùn)壘在磁軸附近的出現(xiàn)由向內(nèi)傳播的雪崩過程引起，而其向外擴(kuò)展則是由向外傳播的雪崩過程引起的自組織結(jié)構(gòu)的突變。

圖：非線性湍流中內(nèi)部輸運(yùn)壘的自組織形成和演化

多位國(guó)際著名等離子體物理學(xué)家高度評(píng)價(jià)這一工作，“是等離子體湍流研究領(lǐng)域的突破”，“給出了內(nèi)部輸運(yùn)壘形成的第一個(gè)完整的物理圖像”，“將改變內(nèi)部輸運(yùn)壘研究的范式”；“NEU方法將有望應(yīng)用于一系列重要難題的解決”，“數(shù)學(xué)方法和物理結(jié)果將影響聚變和其他領(lǐng)域”。

該研究得到了科技部ITER專項(xiàng)和國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目的支持。

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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.065106