详细研究托卡马克的二维湍流结构

融合研究人员面临的一个关键障碍是了解湍流，涟漪和漩涡可能导致超热等离子体促使聚变反应泄漏热量和颗粒并防止融合发生。理解和减少湍流将促进融合的发展，作为一种安全，清洁和丰富的能源来源，用于从世界各地的发电厂发电。

在美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)，科学家们组建了一个大型数据库，详细测量边缘等离子体湍流的二维(2-D)结构，这种结构通过称为气体喷射的诊断技术可见成像。在称为托卡马克的聚变装置内测量的两个维度表示湍流的径向和垂直结构。

迈向更全面的理解

“这项研究是朝着更全面理解湍流的方向迈出的一步，”物理学家Stewart Zweben说，该研究的主要作者发表在“ 等离子体物理学 ”杂志上。“它可以帮助我们了解湍流是如何成为等离子体限制泄漏的主要原因。”

融合在太空中自然发生，将等离子体中的轻元素合并以释放为太阳和恒星提供能量的能量。在地球上，研究人员在像托卡马克这样的设施中创造了融合，这些设施通过磁场控制热等离子体。但是湍流经常导致热量从其磁约束中泄漏。

PPPL科学家现在已经深入研究了先前公布的湍流特征，并分析了数据，重点关注湍流中的二维空间相关性。这种相关性为导致热量和颗粒泄漏的湍流行为的起源提供了线索，并将作为测试湍流计算机模拟的经验证据的附加基础。

研究20次等离子体放电

本文研究了20种等离子体放电，作为PPPL国家球形环面实验(NSTX)最近升级之前的代表性样品。在这些放电中的每一个中，气体喷射照亮了等离子体边缘附近的湍流，其中湍流是特别感兴趣的。抽吸是中性原子的来源，它响应于明确区域内的密度变化而发光，使研究人员能够看到湍流密度的波动。快速相机以64像素宽×80像素高的图像帧尺寸以400,000帧/秒的速率记录所得到的光。

Zweben和共同作者对来自相机的数据进行了计算分析，确定了当湍流漩涡穿过它们时帧的不同区域之间的相关性。“我们正在观察空间结构的模式，”Zweben说。“你可以将它与飘过的云层的结构进行比较。一些大的云层可以聚集在一起，或者可以在平坦的天空中休息。”

湍流的详细视图

相关性提供了等离子体湍流性质的详细视图。“关于湍流的简单事情，如它的大小和时间尺度早已为人所知，”该论文的共同作者PPPL物理学家Daren Stotler说。“这些模拟深入探讨了另一个层面，以了解等离子体的一部分湍流如何随着另一部分的湍流而变化。”

在生成的图形中，蓝色十字表示计算的焦点; 十字架周围的红色和黄色区域是湍流与焦点处的湍流类似地发展的区域。更远的地方，研究人员发现了湍流与焦点变化相反的区域。这些更远的区域在图形中显示为蓝色阴影，黄色十字表示具有最负相关的点。

例如，如果红色和黄色图像是高密度湍流的区域，则蓝色图像表示低密度。“密度增加必须来自某个地方，”Zweben说。“也许来自蓝色地区。”

展望未来，对这些相关性的了解可用于预测磁约束等离子体中湍流的行为。这项努力的成功可以加深对聚变反应失热的根本原因的理解。