圖左：在等離子體中形成屏障以確認(rèn)內(nèi)部熱量。圖右：通過打破屏障，發(fā)現(xiàn)湍流比熱量移動(dòng)得更快，因?yàn)闊崃繌牡入x子體內(nèi)部逸出。圖片來源：日本國立聚變科學(xué)研究所

為了使核聚變發(fā)生，需要將超過1億攝氏度的等離子體穩(wěn)定地限制在磁場(chǎng)中，并長時(shí)間保持。日本國立聚變科學(xué)研究所與美國威斯康星大學(xué)合作研究團(tuán)隊(duì)，首次在世界上發(fā)現(xiàn)了大型螺旋裝置中等離子體在熱量逸出時(shí)，湍流的運(yùn)動(dòng)速度比熱量快。這種湍流的特征使預(yù)測(cè)等離子體溫度的變化成為可能，對(duì)其觀測(cè)或?qū)?dǎo)致未來開發(fā)一種實(shí)時(shí)控制等離子體溫度的方法。研究結(jié)果發(fā)表在近日的《自然·科學(xué)報(bào)告》雜志上。

在受磁場(chǎng)約束的高溫等離子體中會(huì)產(chǎn)生“湍流”，這是一種具有不同大小的渦旋的流動(dòng)。這種湍流導(dǎo)致等離子體受到干擾，來自受限等離子體的熱量向外流動(dòng)，導(dǎo)致等離子體溫度下降。為了解決這個(gè)問題，有必要了解等離子體中的熱和湍流特性。然而，等離子體中的湍流十分復(fù)雜，研究人員尚未完全了解。特別是產(chǎn)生的湍流如何在等離子體中運(yùn)動(dòng)還未明確，因?yàn)樾枰軌蛞愿哽`敏度和極高時(shí)空分辨率測(cè)量微小時(shí)間演變的儀器。

等離子體中會(huì)形成一道“屏障”，阻止熱量從中心向外傳輸。該屏障在等離子體中產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力梯度，并產(chǎn)生湍流。日本研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種通過設(shè)計(jì)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)來打破這一障礙的方法。這種方法更方便研究障礙被打破時(shí)劇烈流動(dòng)的熱量和湍流，并詳細(xì)研究它們之間的關(guān)系。然后，研究人員使用不同波長的電磁波，以世界上最高精度測(cè)量了電子的溫度變化、熱量和湍流的變化。此前，人們知道熱量和湍流幾乎同時(shí)以每小時(shí)5000公里的速度移動(dòng)，大約相當(dāng)于飛機(jī)的速度，但這次實(shí)驗(yàn)首次在世界上發(fā)現(xiàn)湍流以每小時(shí)40000公里的速度先于熱量移動(dòng)，已接近火箭的速度。

日本國立聚變科學(xué)研究所助理教授劍持尚輝說，這項(xiàng)研究極大地提高了我們對(duì)聚變等離子體中湍流的理解。湍流的新特征，即它在等離子體中的移動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于熱，表明我們可通過觀察預(yù)測(cè)湍流來預(yù)測(cè)等離子體的溫度變化。未來，我們希望在此基礎(chǔ)上開發(fā)出實(shí)時(shí)控制等離子體溫度的方法。

（原標(biāo)題：高速運(yùn)動(dòng)的等離子體湍流首次發(fā)現(xiàn)）