高速運動的等離子體湍流首次發現

為了使核聚變發生，需要將超過1億攝氏度的等離子體穩定地限制在磁場中，並長時間保持。日本國立聚變科學研究所與美國威斯康星大學領導的一個研究團隊，首次在世界上發現了大型螺旋裝置中等離子體在熱量逸出時，湍流的運動速度比熱量快。這種湍流特徵使預測等離子體温度的變化成為可能，對其觀測或將導致未來開發一種即時控制等離子體温度的方法。研究結果發表在近日的《自然·科學報告》雜誌上。

在受磁場約束的高温等離子體中會產生“湍流”，這是一種具有不同大小的渦旋的流動。這種湍流導致等離子體受到干擾，來自受限等離子體的熱量向外流動，導致等離子體温度下降。為了解決這個問題，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複雜，研究人員尚未完全瞭解。特別是產生的湍流如何在等離子體中運動還未明確，因為需要能夠以高靈敏度和極高時空分辨率測量微小時間演變的儀器。

等離子體中會形成一道“屏障”，阻止熱量從中心向外傳輸。該屏障在等離子體中產生強烈的壓力梯度，併產生湍流。日本研究小組已經開發出一種通過設計磁場結構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劇烈流動的熱量和湍流，並詳細研究它們之間的關係。然後，研究人員使用不同波長的電磁波，以世界上最高精度測量了電子的温度變化、熱量和湍流的變化。此前，人們知道熱量和湍流幾乎同時以每小時5000公里的速度移動，大約相當於飛機的速度，但這次實驗首次在世界上發現湍流以每小時40000公里的速度先於熱量移動，已接近火箭的速度。

日本國立聚變科學研究所助理教授劍持尚輝説，這項研究極大地提高了人們對聚變等離子體中湍流的理解。湍流的新特徵，即它在等離子體中的移動速度遠遠快於熱，表明可通過觀察預測湍流來預測等離子體的温度變化。未來，科學家希望在此基礎上開發出即時控制等離子體温度的方法。