近日，由兰涛副教授领导的探针测量小组在核工业西南物理研究院的中国环流器二号A托卡马克装置（HL-2A）上，首次观测到在输运垒形成期间由涨落量驱动的向内粒子输运的现象，提出了径向速度梯度通过调制涨落密度梯度驱动粒子向内输运的机制，并获得实验验证。该研究成果以“Fluctuation-induced inward particle flux during L-I-H transition on HL-2A tokamak”为题发表在2021年《Nuclear Fusion》上，第一作者是我院博士研究生吴捷，通讯作者为兰涛副教授。
托卡马克中粒子的向内输运也称为逆梯度输运或逆扩散通量（up-gradient flux or anti-diffusive flux），其与等离子体约束改善存在着密切的联系。过去几十年中，在仿星器、线性等离子体装置以及托卡马克等装置上均观测到涨落量引起的逆梯度向内粒子输运现象，它能够帮助形成边界输运垒和提高等离子体密度，但其基本物理形成机制还不清晰，大部分向内输运研究仍然停留在实验观测或者维象解释上。
在此工作中，作者首次于HL-2A托卡马克的L-I-H模转换放电过程中使用边界Langmuir探针阵列观测到长寿模（long-lived mode, LLM）频段涨落的粒子逆梯度向内输运。长寿模是一支由高密度梯度或高能粒子所驱动的产生于托卡马克芯部的电磁模。由于长寿模产生于芯部以及缺乏相关先进诊断工具，对它在边界的演化特征以及其与粒子输运的关联关注较少。实验中通过分别对比磁场、密度以及速度等涨落量的互相角，确定了径向速度涨落的相位在装置边界发生可观相移驱动了向内粒子输运。作者还精确测量了输运方程中的各分项，确认了密度涨落梯度项在H模期间提供了绝大部分的向内输运。另外还通过计算磁涨落和悬浮电位的自双谱，发现了长寿模和背景湍流之间存在很强的非线性电磁耦合，揭示了输运方程中的非线性项在中间态（I-phase）中也可能提供很大一部分的向内粒子输运。该工作提出的向内输运产生机制进一步揭示了向内输运的本质，对于我们更深入理解输运垒形成的物理机制提供很大帮助，并可能为将来反应堆放电运行提供输运调控方案。
该项研究得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划等基金资助。文章全文详见https://doi.org/10.1088/1741-4326/abebec。
图1. HL-2A托卡马克中L-I-H放电波形。(a)D信号、(b)软x射线、(c)磁信号、(d)密度、(e)径向电场的时间演化，(f)软x射线、(g)磁信号、(h)密度、(i)极向电场，(j)径向电场的时频谱。8~10kHz相干模为长寿模。
图2. (a-d)粒子输运方程各项驱动的输运通量的时间演化，(e)密度涨落幅度和(f)速度涨落的时间演化，(g)径向速度梯度与密度涨落梯度的依赖关系。