近日，等离子物理与聚变工程系“多途径磁约束核聚变研究中心”的博士生祖一鸣，在毛文哲和兰涛副教授的指导下，针对科大一环（KTX）等离子体三维平衡中的发电机效应进行了一系列的模拟研究工作，取得重要进展。相关成果发表在Plasma Physics and Controlled Fusion期刊(Yiming Zu et al 2022 Plasma Phys. Control. Fusion64 065002)上。
随着磁约束聚变装置注入能量的提升和约束的不断改善，托卡马克和反场箍缩（Reversed field pinch，RFP）装置上的三维效应变得愈发显著，常规的环向对称模型在描述实验中出现的新现象时变得捉襟见肘。RFP装置是环形磁约束聚变装置中的一种高比压低纵场装置，其磁场更容易受到扰动并改变拓扑形态，并由此产生较强的等离子体自组织行为。这一行为带来纵向磁场和环向磁场的强耦合，等效环向电阻被维持在较高水平，因此可以仅通过经济的欧姆加热方式达到聚变点火条件。
随着RFP装置上环向电流的提升，等离子体会从多种不稳定性共存的传统平衡状态（Multi-helical state，MH）转换到仅由单一不稳定性主导的高约束态，其磁拓扑形态也变为接近单螺旋的环形结构（Quasi-single helical state，QSH）。由于RFP仅靠外部环向感应电场作为电流驱动和等离子体加热源，在电阻扩散时间尺度下其螺旋磁场的产生和维持状态无法通过常规的欧姆定律进行解释，因此需要引入广义欧姆定律中的发电机效应。目前的研究对MH态维持的解释主要基于多种不稳定性引起的磁场扰动和流扰动产生的非线性效应，而对于QSH态的维持和转换机制尚未有广泛接受的物理机制模型。
本文利用三维平衡反演算法对KTX上的三维平衡进行模拟，研究了RFP等离子体由QSH态到准多螺旋态（QMH）转换的过程中，静电漂移产生的发电机效应。结果发现，在QSH态下，等离子体漂移主要由静电漂移构成，静电漂移提供了发电机效应中速度项的极向分量。由于双极静电势的作用，静电漂移也呈现出双极分布，而由此产生的电动势则完全可以维持电阻效应带来的电流耗散。这一模拟结果是首次在RFP环位形磁场下验证了发电机效应的静电项是维持QSH态平衡的重要因素。这项工作对RFP装置上高约束三维态的控制运行和约束改善有着重要的指导意义，而其物理机制也对同类装置上等离子体三维效应物理研究有着重要的参考价值。
该研究受到国家科技部磁约束聚变能发展研究专项和国家自然科学基金的资助。原文链接如下：https://doi.org/10.1088/1361-6587/ac6891
等离子体物理与聚变工程系简介：
等离子体物理与聚变工程系（校内编号52系）成立于2020年，是中国第一个专门从事等离子体物理与聚变工程教学科研的系级单位，其前身是成立于1974年的等离子体物理教研室。52系具有应用物理和工程物理两个本科专业，招收物理学(等离子体物理)以及核科学技术(核能工程)两个培养方向的研究生。