摘要：核聚变被科学家形象的比喻为用橡皮筋裹住果冻，可见其稳定聚变实现的难度，因为等离子体带电，所以会产生各种各样的不稳定性，近几十年科学家都在发现并定量建模各种不稳定性，每完成一种，我们人类距离稳定受控核聚变就会更进一步。

核聚变被科学家形象的比喻为用橡皮筋裹住果冻，可见其稳定聚变实现的难度，因为等离子体带电，所以会产生各种各样的不稳定性，近几十年科学家都在发现并定量建模各种不稳定性，每完成一种，我们人类距离稳定受控核聚变就会更进一步。

2025年3月，美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室团队在《物理评论快报》发表论文，宣布首次在实验室环境中完整捕获到长期困扰可控核聚变研究的带状流不稳定性现象。这项突破性研究通过自主研发的高时空分辨率激光诊断系统，在环形磁约束装置中观测到等离子体边界层发生的带状流分叉过程。

图释：“Shadowgraphy”使科学家能够可视化等离子体中的密度变化，并测量细丝的不稳定性。图片来源：伦敦帝国理工学院

​带状流不稳定性被称为『托卡马克的脉搏紊乱』，它会导致等离子体边缘出现类似血管分叉的能量喷射通道。研究数据显示，当等离子体电流达到1.2兆安时，边界电子温度梯度突破每米5千电子伏临界值，引发每秒300次的周期性流场重构。这种现象与团队在2020年完美流体实验中观察到的声扩散量子化特征形成有趣对比——前者展现宏观湍流，后者呈现量子化耗散。

研究团队创新性地将医用超声成像原理移植到等离子体诊断领域。他们在装置内壁布置了128个压电传感器阵列，以0.1纳秒时间分辨率捕捉到磁场扰动信号。数据分析显示，带状流分叉时产生的阿尔芬波与电子回旋波发生非线性耦合，这种混合波的能量转化效率比传统模型预测值高出47%。

值得注意的是，该现象与中科院物理所2014年在冷原子系统中发现的三体Borromean态存在深层联系。两者都涉及多体系统中独特的作用力平衡机制：冷原子通过自旋轨道耦合实现三体束缚，而等离子体中的带电粒子通过电磁场与湍流相互作用维持准稳态。研究团队通过机器学习算法，在超过2PB的湍流模拟数据库中识别出与实验匹配的13种拓扑结构，其中7种具有分形特征。

这项发现为破解『边缘局域模』难题提供了新视角。当研究人员在偏滤器区域施加特定频率的共振磁扰动后，带状流分叉导致的能量爆发幅度下降了60%。这验证了1996年俄罗斯学者科洛米茨提出的『湍流自组织抑制』理论——就像用特定音符抵消噪声，通过主动诱发次级不稳定性来驯服更大的能量释放。

值得注意的是，该团队可能将与中国合作，中科院正将其开发的弱磁场成像技术移植到等离子体诊断中。这种基于二维电子气的传感器阵列可同时测量磁场涨落和粒子通量，时间分辨率比传统探针提升三个数量级，计划在2026年用于中国聚变工程实验堆。

参考文献：

N. P. Dover et al, Optical Imaging of Laser-Driven Fast Electron Weibel-like Filamentation in Overcritical Density Plasma, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.025102

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来源：科学剃刀