等離子體物理學科簡介
等離子體物理學科是一個與國家大科學工程緊密結合的、具有很強應用背景的學科，其處理的對象廣泛，下至火焰、閃電，上至實驗室聚變裝置（如磁約束、慣性約束聚變裝置）、太陽風、日冕都是其研究的對象。等離子體物理在國家的能源發展戰略、空間研究與開發、以及在很多先進科學技術方面都占有重要的地位。
圖 1 等離子體物理研究對象參數區間
以聚變等離子體研究為例。國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃是實現聚變能源利用的重要一步。這一計劃要求我們探索、研究磁約束燃燒等離子體的新領域，描述等離子體複雜的集體動力學行為，在理論研究及數值計算方面對等離子體物理提出了全新的挑戰、提供了廣闊的發展空間。此外，跨學科領域合作已經成為聚變研究的趨勢。等離子體理論及模拟專家在這一領域需要與材料物理、計算物理甚至應用數學專業展開廣泛的合作。
另外，等離子體物理研究也是空間科學的前沿，是國内外很多空間開發計劃的基礎科學。等離子體推進技術是新一代衛星平台的主要動力支撐；材料的等離子體處理與加工是先進材料和電腦芯片生産的不可缺少的手段；在各種特殊條件下等離子體與電磁波的相互作用研究在國防、通信等領域都有着重要的應用。
等離子體物理學科是北航物理新增學科，計劃開展的研究方向包括磁約束聚變等離子體物理、空間與天體等離子體物理和計算等離子體物理。上述研究中的磁流體理論與計算是北航等離子體專業的重點發展方向。
近期科研成果簡介
1. 偶極場磁約束位形下的線性與非線性輸運過程的全裝置湍流模拟
實驗室偶極場裝置模仿地球磁場，能在實驗室中模拟地球磁層的行為，從而研究日地空間複雜的等離子體物理過程，同時它具有良好的等離子體約束性能，可以實現高比壓、穩态等離子體運行，也有望成為潛在的受控核聚變實驗裝置。該研究對理解實驗室偶極場位形中的湍流和輸運過程有重要作用，尤其還能對地球磁層中的湍流現象提供更深入細緻的參考。
圖 2 地球偶極磁場和輻射
結合偶極場等離子體實驗觀測結果，我們發展了在偶極場位形下的磁通管平均的理想磁流體模型以及雙流體模型。基于發展的物理模型，開發了相應的用于偶極場位形實驗室等離子體研究的線性本征值代碼以及全局的非線性初值模拟程序。通過開發全局流體模拟代碼，可以對偶極場位形實驗室等離子體的多尺度湍流結構、湍流的非線性演化以及湍流引起的輸運過程開展自洽模拟研究，相關研究結果已在Physical Review E以特快通訊發表。該工作得到國家自然科學基金面上項目支持。
圖 3 目前國際上兩個主要的實驗室磁層模拟裝置LDX（麻省理工學院）和RT-1（東京大學）的示意圖及運行參數。
圖 4 熵函數、粒子數以及電勢的空間結構在線性階段(左列)，非線性早期 (中列)，非線性後期(右列)。
相關論文：
Weike Ou, Lipeng Wang, Bo Li and B. N. Rogers, Turbulent pinch in whole-plasma simulations of a dipole-confined plasma, Physical Review E 101, 021201 (2020).
2.托卡馬克等離子體中的破裂緩解
托卡馬克位形是目前約束性能最好、最後可能實現聚變能源的穩态磁約束位形。但是托卡馬克位形中自發或人為産生的非環對稱、非線性磁流體不穩定性有可能會導緻其約束性能顯著的下降，甚至會引發快速、全局的約束破壞，即破裂事件。在破裂過程中，等離子體内存儲的大量能量在短時間内局域地沉積在裝置壁上，可能對裝置的持續運行造成毀滅性的影響。因此破裂的緩解與防護是未來聚變能源能否實現的重中之重。
圖 5 托卡馬克裝置芯部等離子體集體運動模式将大量注入粒子對流性地輸入芯部的過程。
圖 6 主導磁流體模式的拓撲随着注入模式不同而有相應變化。
圖 7 多環向位置注入能夠有效地緩解輻射功率密度的非均勻性。
利用非線性三維磁流體代碼JOREK，我們對基于大量粒子注入來實現破裂中的熱猝滅緩解過程進行了深入的研究。我們的研究發現，注入粒子回通過螺旋冷卻的方式在有理面上解穩相應的宏觀磁流體模式，而這些磁流體模式又會反過來将注入粒子輸運到芯部，有效提高破裂緩解效果。這一輸運過程的效果強烈地依賴于注入粒子在等離子體内沉積的位置。我們同時發現，在單一環向位置注入雜質粒子往往會導緻強烈的輻射功率密度的不對稱性，這一不對稱性是對我們破裂緩解的實現有害的。為了避免這一現象，我們可以在多環向位置同時進行大量離子注入.數值模拟顯示，這一方案能夠顯著提高雜質輻射功率密度的均勻性，有利于破裂中的熱猝滅防護。另外，通過首先注入氫的同位素，随後注入高Z雜質的方式，我們可以在熱猝滅被觸發之前顯著地冷卻熱電子長尾，這有助于熱猝滅後電流猝滅過程中逃逸電子電流的抑制，為我們同時實現熱猝滅緩解與電流猝滅緩解提供了新的思路。
相關論文：
1、D. Hu, E. Nardon, M. Hoelzl et al., Radiation asymmetry and MHD destabilization during the thermal quench after impurity shattered pellet injection. Nucl. Fusion 61 026015 (2021);
2、E. Nardon, D. Hu, M. Hoelzl et al., Fast plasma dilution in ITER with pure deuterium shattered pellet injection, Nucl. Fusion 60 126040 (2020);
3、M. Hoelzl, D. Hu, E. Nardon et al., First predictive simulations for deuterium shattered pellet injection in ASDEX Upgrade, Phys. Plasmas 27, 022510 (2020);
4、D. Hu, E. Nardon, M. Lehnen et al., 3D non-linear MHD simulation of the MHD response and density increase as a result of shattered pellet injection, Nucl. Fusion 58 126025 (2018).
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