兆安培球形托卡马克中的亚临界湍流

通过湍流将热量从托卡马克等离子体中输运出去是限制聚变反应堆性能的主导机制。湍流可以由离子温度梯度（ITG）驱动并被环向剪切流抑制。试图理解湍流的数值模拟对于指导未来反应堆的设计至关重要。我们通过回旋动理学模拟研究了兆安培球形托卡马克（MAST）外芯区的离子尺度湍流。我们对 ITG 和流剪切的值进行了参数扫描。我们表明非线性模拟重现了实验离子热通量，并且 ITG 和流剪切的实验值接近湍流阈值。我们证明系统在存在流剪切时是亚临界的，即系统在形式上是稳定的，但在给定足够大的初始扰动时会转变为湍流状态。我们提出了一个先前在托卡马克等离子体中未报道过的向湍流转变的情景：接近阈值时，等离子体由少数相干的长寿命结构主导；随着系统远离阈值进入更不稳定的状态，这些结构的数量增加，直到它们充满整个区域并出现更常规的湍流。我们将我们模拟的相关性质与 MAST BES 诊断的密度涨落实验测量结果进行了比较。我们对模拟数据应用了合成诊断，发现模拟湍流和实验湍流的相关性质具有合理的一致性，最显著的是相关时间。我们表明湍流的性质本质上是离子热通量的函数。我们发现接近阈值的湍流受流剪切影响很大，而远离阈值时，湍流类似于常规的 ITG 驱动状态。