聚变等离子体中的零湍流流形

由湍流导致的热输运是限制聚变装置温度梯度乃至性能的主要因素。我们利用非线性模拟表明，环形平衡尺度剪切流可以在广泛的流动梯度和温度梯度值范围内完全抑制湍流。我们证明了在此范围内存在一个分岔，使得等离子体可以从低流动梯度和低温度梯度状态跃迁到高流动梯度和高温度梯度状态。我们进一步表明，通过这种跃迁所能达到的最大温度梯度受到高流动梯度下由平行速度梯度 (PVG) 驱动的次临界湍流存在的限制。我们利用线性模拟和解析计算研究了产生这种次临界湍流的瞬态增长模式的特性，并得出结论：PVG 与抑制性的垂直速度梯度之比（在托卡马克中该比值等于 q/{\epsilon}，其中 q 为磁安全因子，{\epsilon} 为逆长径比）可能存在一个临界值，低于该值时 PVG 无法驱动次临界湍流。鉴于此，我们利用非线性模拟计算了作为三个参数（垂直流动剪切、q/{\epsilon} 和温度梯度）函数的曲面，该曲面在参数空间内划分了能够维持湍流和不能维持湍流的区域：即零湍流流形。我们无法断定确实存在一个低于该值即可消除 PVG 驱动湍流的 q/{\epsilon} 临界值。尽管如此，我们证明了在低 q/{\epsilon} 值下，在不产生湍流的情况下所能达到的最大临界温度梯度显著增加。