上海交大自然科学研究院周尧课题组提出快速评估等离子体不稳定性严重程度的新方法

近日，上海交通大学自然科学研究院/物理与天文学院周尧课题组提出一种快速评估等离子体不稳定性严重程度的新方法。该方法无需求解不稳定性的非线性演化过程，而是计算系统在物理约束下能够释放的能量，从而评估不稳定性可能产生的影响。研究成果以“Available Energy and Ground States of Convective Hydrodynamic and Hydromagnetic Instabilities”为题，于2026年10月27日发表在 Physical Review Letters 上。

研究背景

聚变装置要实现高性能等离子体的稳定运行，通常会将线性稳定性作为重要的设计约束。然而，线性稳定性极限并不一定对应实际运行中的风险边界；评估不稳定性的严重程度同样重要。例如，周尧及其合作者此前通过数值模拟发现，W7-X仿星器即使越过设计比压上限，所产生的理想气球模不稳定性也可能在较低水平良性饱和，而不会导致大规模崩塌[Zhou et al., Phys. Rev. Lett. 133, 135102 (2024)]。但这类大规模数值模拟需要完整追踪不稳定性的非线性演化，计算成本较高。因此，对于装置设计和运行中的快速评估，需要发展更高效的理论方法。

研究方法与结果

团队基于“可用能”理论提出了一种解决思路。其核心思想是：将系统划分为许多离散的微元并重新排列，求解其在物理约束下能达到的最低能量状态。初始状态与这一“基态”之间的能量差，就是系统的“可用能”，代表不稳定性能够释放的能量规模。此前的相关重排方法主要针对不可压缩系统，而团队进一步提出“重排–弛豫”方法，将这一思路推广到可压缩系统，从而能够计算其基态与可用能。

团队以瑞利–泰勒不稳定性为例进行了验证。理论计算得到的基态与数值模拟最终达到的状态高度一致，模拟中的能量释放也与计算得到的可用能相符；同时，模拟产生的峰值动能与可用能呈现明显相关性。这表明，可用能能够有效预测不稳定性可能释放的能量规模，从而能够作为评估其严重程度的指标。团队进一步将该方法推广到Z箍缩中的交换不稳定性，结果同样与数值模拟符合良好，说明这一方法具有推广到更一般流体和磁流体不稳定性的潜力。

研究总结

“可用能”理论从能量角度评估不稳定性的严重程度，无需计算完整的非线性演化过程。因此，该方法有望作为复杂非线性数值模拟的补充工具，用于快速筛选不同运行条件、评估不稳定性风险，支撑未来聚变装置的设计和运行。

作者团队简介

上海交通大学自然科学研究院范凯旋博士后为论文第一作者，自然科学研究院/物理与天文学院副教授周尧为通讯作者。研究工作得到了国家磁约束核聚变能发展研究专项与国家自然科学基金的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/bp24-s332

作者： INS 供稿单位： 自然科学研究院