发现高能离子自发流入和流出高温等离子体的状态

在聚变研究领域，控制等离子体密度、温度和加热对于提高反应堆性能至关重要。有效约束等离子体粒子和热量，尤其是在发生聚变的核心处保持度和高温度至关重要。在大型螺旋装置 (LHD) *1中，挑战依然存在，因为电子密度分布通常保持平坦甚至在中心处下降，这使得维持高中心密度的努力变得复杂。

结果

LHD 配备五个中性束 (NB) 注入器*3，用于等离子体加热。注入器 NB#1 至 NB#3 以切向方式输送光束，而 NB#4 和 NB#5 则以垂直方式注入光束(见图 1)。尽管切向和垂直注入之间的功率比有所不同，但离子温度分布保持不变。然而，图 2 显示了峰值(红色和绿色)和平坦(蓝色)电子密度分布的存在。

调整切向与垂直高能离子的比率会使速度分布*4从各向同性变为各向异性。我们通过分析 NB#1 - NB#5 注入束功率的垂直和平行分量中储存的能量比率(表示为 En⊥/En||)，探索了密度分布如何取决于这些高能离子的状态*5(参见图 3)。在 En ⊥ / En || = 0.3 至 0.8 范围内修改各向异性，结果表明 En ⊥ /En || < 0.4 导致平坦的电子密度分布，而 En ⊥ /En || > 0.4 导致中心峰值电子密度分布。随后，通过外部注入碳并观察离子行为来检查碳离子的密度分布。在常规实验范围 En ⊥ /En ||内，分布中心凹陷< 0.4，但在新的实验范围内达到峰值，其中 En ⊥ /En || > 0.4。

这些发现表明，等离子体的流入/流出速率会随着高能离子的存在而自发改变。使用模拟计算对高能离子的影响进行了进一步研究。首先，我们分析了等离子体核心径向的电场，模拟值为 -5 kV/m，与重离子束探测器*6(图 1 中所示的 HIBP)的测量值一致。虽然这种强度的电场不太可能对粒子流产生重大影响，但对湍流引起的粒子流入和流出进行了进一步分析*7。结果表明，湍流可能会影响峰值和平坦密度分布。

研究成果的意义及未来发展

此项发现阐明了利用高能离子的各向异性可以有效调节聚变等离子体约束区内粒子流入和流出的方向和体积，从而使等离子体保持最佳状态。未来必须明确其背后的新物理机制。然后我们将进一步开展研究，为提高聚变反应堆等离子体的性能、缩小聚变反应堆的尺寸、提高能量输出以及控制等离子体燃烧条件做出贡献。

[词汇表]

*1 大型螺旋装置(LHD)：LHD 是世界上最大的螺旋超导等离子体实验装置之一，位于日本岐阜县土岐市的国家聚变科学研究所。

*2 高能离子：这些离子是在等离子体温度达到约 1 亿度的环境中由加热光束产生的，其能量比周围环境高出约 10 至 20 倍。

*3 中性束注入加热系统：该系统使用高能、电中性的氢束加热由电子和离子组成的等离子体。注入时，光束与等离子体粒子碰撞，有效提高等离子体温度。

*4 速度分布：等离子体由带正电和负电的粒子组成。这些受磁场约束的粒子在沿磁场线旋转时表现出独特的运动，在平行和垂直于磁场线的方向上的运动有所不同。当粒子速度在给定空间位置处平行和垂直于磁场线都是均匀的时，等离子体内的速度分布被称为各向同性。相反，当使用切向排列的中性束注入器 NB#1 至 NB#3 时，它们会诱导出一组速度与磁场线平行的粒子，如图 (b) 所示，这种分布被称为各向异性。相反，当激活垂直排列的 NB#4 和 NB#5 时，它们会产生一组速度与磁场线垂直的粒子，如图 (c) 所示。

*5 高能离子状态：通过调整粒子速度与磁场线垂直和平行的分布比例，离子可以在各向同性和各向异性状态之间切换。本实验重点关注改变各向异性状态。

*6 重离子束探测器(HIBP)：HIBP采用金离子束，用于测量等离子体内的电位，提供关键的诊断信息。

*7 湍流：在等离子体密度和温度不均匀的情况下，会产生湍流。这会导致等离子体波的增长，从而形成流动和涡流，通常在高温下表现为不规则和湍流运动。

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