摘要：2025年3月，《自然·通讯》发表的研究成果震动了核聚变领域。来自马克斯·普朗克等离子体物理研究所等全球六家机构的团队，在ASDEX Upgrade托卡马克装置上完成了一场对核聚变极其重要的实验验证——他们让湍流模拟代码GENE的预测结果与真实等离子体测量数据

2025年3月，《自然·通讯》发表的研究成果震动了核聚变领域。来自马克斯·普朗克等离子体物理研究所等全球六家机构的团队，在ASDEX Upgrade托卡马克装置上完成了一场对核聚变极其重要的实验验证——他们让湍流模拟代码GENE的预测结果与真实等离子体测量数据实现了七项关键参数的全方位吻合。这不仅是人类首次在复杂湍流预测领域达到如此精度，更为未来聚变电站的工程化设计提供了决定性工具。

图释：实验设置。（a） AUG 的极状横截面，包括来自陀螺动力学模拟的磁通量表面（黑线）和密度波动。缩放窗口显示 （b） 测量位置的密度波动。此外，还显示了来自光线追踪的探测光束（绿色）和来自 2D 全波模拟的加权函数（灰色阴影）。面板 （c） 描述了温度波动以及从 Torbeam 和 ECRad 代码获得的 CECE 测量体积（黑色省略号）。图片来源：Nature Communications （2025）。DOI： 10.1038/s41467-025-56997-2

Klara Höfler博士用'咖啡杯中的牛奶漩涡'比喻等离子体湍流，现在这个存在了半个世纪的难题快要被人类完全掌握了。在ASDEX Upgrade装置内，温度高达上亿摄氏度的等离子体中，微观湍流同时扮演着天使与魔鬼的角色：它既能将核反应产生的氦灰排出，又会加速能量逸散导致反应中断。

研究团队选择了两组不同温度梯度的等离子体放电进行对照。通过微波反射仪和电子回旋辐射仪，他们捕捉到了密度与温度波动的三维动态。令人惊叹的是，当第二组实验中温度梯度更平缓时，密度波动反而加剧——这个反直觉现象被GENE代码精准预言，连研究者本人都直呼意外。

图释：来自 Garching IPP 的核心团队将 ASDEX Upgrade 两次等离子体测量数据与 GENE 模拟结果进行了比较。（从左到右）：Tim Happel 博士、Tobias Görler 博士、Frank Jenko 博士教授、Klara Höfler 博士、Ulrich Stroth 博士教授。图片来源：Frank Fleschner，等离子体物理学 MPI

用于精准预测湍流的GENE代码，需要处理包含位置、速度、时间的五维相空间数据。为模拟短短几毫秒的湍流过程，超级计算机集群足足运算了两个月。这种计算规模在十年前根本无法想象，正如2015年科学家们还在为单次等离子体约束百秒而欢呼。如今已能对微观湍流进行原子钟级别的解析。

该突破的深层价值在于方法论创新：GENE不仅模拟物理过程，还完整复现了微波诊断的测量路径。这种精准的预测对于构建大型核聚变装置以及稳态运行极其重要。

当德国团队在验证预测模型时，美国DIII-D装置正通过'邻近控制算法'突破格林沃尔德密度极限，中国EAST装置刚刷新千秒级运行纪录。看似分散的进展实则指向同一目标——构建持续可控燃烧等离子体。日本学者2022年发现的湍流超音速传播现象。与本次研究的微观湍流预测形成奇妙呼应。。

这项突破最现实的落地场景，是指导ITER和CFETR等下一代装置的优化设计。传统试错法需要耗费数年调整磁场形态，而现在通过数字孪生体，工程师能在虚拟空间快速筛选最佳方案。

核聚变实现一直在说下一个50年，其实目前正在经历从量变到质变的临界跃迁。科学家在完全掌控湍流及各类不稳定性方面已深度触达，人类驾驭恒星能源不远了。

参考文献：

Klara Höfler et al, Milestone in predicting core plasma turbulence: successful multi-channel validation of the gyrokinetic code GENE, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-56997-2

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来源：科学剃刀