等離子體能量約束-核工業(yè)西南物理研究院

1、托卡馬克等離子體約束,,核工業(yè)西南物理研究院, 成都2007年8月12日于四川大學,嚴龍文,2007年8月核聚變與等離子體物理暑期講習班,人類生活對能源的需求核聚變及受控核聚變原理等離子體約束的基本問題等離子體約束的各種模式等離子體輸運與能量約束定標約束改善與邊緣局域?？刂瓶偨Y(jié)和討論,內(nèi)容摘要,人類生活對能源的需求日益增大,能源消耗圖表,自從人類學會如何使用能源使自己生活更加舒適和方便后，人們使用能源的能力和對能源的消耗

2、就不斷增加。工業(yè)文明發(fā)展之后，這種需求和增加就越來越快。為了保持人類的舒適生活，現(xiàn)在對能源的消耗極大,各種能源消耗的份額,,石油35%,煤23.5%,天然氣20.7%,核能6.8%,生物能11.1%,水能 2.3%,現(xiàn)存能源種類,其他能源：風能、太陽能、地熱能、等 0.5%,古時，人類多使用太陽能、風能、水能等自然能源，以及少量的樹木等可再生能源農(nóng)業(yè)社會時，許多像樹木一樣的可燃燒物被使用，也有少量的煤、石油等化石燃料被使用。工業(yè)

3、文明之后，大量的化石燃料被使用，而且隨著人口的急劇增加和科學技術(shù)的發(fā)展，將會出現(xiàn)了嚴重能源危機和污染問題。,中國對石油的需求和產(chǎn)量,世界上石油資源的蘊藏量分布,世界上的石油資源分布極其不均衡，其中中東地區(qū)占有已探明儲量的70%。中國是一個石油儲量相對貧乏的國家。,各種化石能源的使用年限,按照現(xiàn)在的消費增長，化石燃料可供人類使用時間分別為:煤：220年石油：40年天然氣：60年,人類生活對能源的需求核聚變及受控核聚變原理等離子

4、體約束的基本問題等離子體約束的各種模式等離子體輸運與能量約束定標約束改善與邊緣局域?？刂瓶偨Y(jié)和討論,內(nèi)容摘要,核聚變原理,當兩個輕原子核結(jié)合成一個較重的原子核時，會釋放能量。我們稱這種結(jié)合為聚變，放出的能量稱為聚變能。在人工控制下的聚變稱為受控聚變，釋放受控聚變能量的裝置，稱為聚變反應(yīng)堆或聚變堆。,D-D 反應(yīng),D-T 反應(yīng),常用的核聚變反應(yīng),輕核聚合反應(yīng)：1D2+1D2→2He3+0n1+3.2MeV1D2+1D2→1T3

5、+1p1+4.0MeV1D2+2He3→2He4+1p1+18.3MeV1D2+1T3→2He4+0n1+17.6MeV　故總結(jié)果：6 1D2→22He4+21p1+20n1+43.1MeV即每個氘核聚變后可產(chǎn)生約7.2MeV的能量，是每個重核裂變釋放能量0.85MeV的8.5倍，單位質(zhì)量的氘核聚變釋放的能量比裂變大很多，這是聚變反應(yīng)作為一種潛在新能源的突出優(yōu)點。,地球上有多少氘,氘（D）和氚(T）是氫的同位素。海水里含有豐

6、富的氘，自然界中基本上沒有氚。如果將海水里所有的氘全部用來發(fā)電，將是取之不盡的能源。1升海水相當于340升汽油的能量。,海水里含有豐富的氘,氚的生成,用地球陸地上的鋰生成氚可以使用上千年海水里也蘊藏豐富的鋰資源,氚的衰變,氚的半衰期為12.3年，所以自然界中不存在大量的氚。在自然界中只存在3.7kg的氚。而氚在人體中只能存在40天。,在氚的衰變過程中，只會產(chǎn)生低能β射線（電子）， β射線甚至不能穿透皮膚?？諝庵械摩律渚€只能傳

7、播幾毫米。,等離子體,固體,液體,氣體,等離子體,增加原子(核)運動速度的方法通常是提高物體的熱運動速度。當物體的溫度足夠高時，物體呈等離子態(tài)。,等離子體的約束方法,等離子體是由宏觀上呈電中性的帶電粒子所組成。自然狀態(tài)下的等離子體是自由運動的。,高溫的等離子體必須要約束較長的時間。磁場可很好約束高溫等離子體，使其沿磁力線運動。,磁約束等離子體的聚變裝置,托卡馬克（Tokamak）,仿星器（Stellarator）,托卡馬克裝置原理

8、,托卡馬克等離子體的加熱,通常用“聚變?nèi)朔e和增益Q值”來衡量等離子體的品質(zhì)參數(shù)。勞遜判據(jù)：要達到能量得失相當，要求等離子體密度n與等離子體能量約束時間的乘積 n×τE的最小值約為0.6×1020m-3s，即滿足聚變反應(yīng)物理可行性的最低要求。若QDT=1，則要求n?T 乘積達到 2×1021 m-3s keV,聚變反應(yīng)率隨溫度急劇增加,聚變等離子體持續(xù)燃燒需要有足夠的高溫、高密和長時間的約束，即滿足

9、所謂勞遜判據(jù)?？紤]軔致輻射損失后的勞遜判據(jù)要求nT?E大于3?1021 m-3 keVs。對于大型托卡馬克裝置溫度T=10 keV，離子密度1?1020 m-3，得到能量約束時間要達3s以上。,受控核聚變研究的發(fā)展,50’s：建立了最初的小型磁約束裝置60’s：建立了成功的托卡馬克裝置70’s：建立了中型尺寸的托卡馬克80’s：建立了大型的托卡馬克90’s：達到了聚變功率得失相當水平2006：協(xié)議建造國際熱核實驗反應(yīng)堆IT

10、ER,ITER的典型參數(shù),尺寸：24 m （高）30 m（直徑）大半徑：6.2 m小半徑：2 m磁場： 5.3 T等離子體體積：850 m3放電持續(xù)時間：3000 s加熱功率： 73 MW (I)聚變功率：500 MW功率增益Q：10,我們離受控聚變成功還有多遠,可自持的受控核聚變反應(yīng)堆,使用已有的氘和氚建立等離子體放電，達到聚變反應(yīng)條件聚變反應(yīng)生成中子、能量和氦，氦被排除用中子與裝置內(nèi)的鋰發(fā)生核反應(yīng)，生

11、成氚，回收氚用生成的氚繼續(xù)與氘發(fā)生聚變反應(yīng)能量被吸收，產(chǎn)生蒸汽發(fā)電,人類生活對能源的需求核聚變及受控核聚變原理等離子體約束的基本問題等離子體約束的各種模式等離子體輸運與能量約束定標約束改善與邊緣局域?？刂瓶偨Y(jié)和討論,內(nèi)容摘要,能量約束時間的定義,能量約束時間是描述等離子體最基本的參數(shù)之一，它是衡量能量約束好壞的一個重要指標，其定義為： ?E=WP/(Pt-dWp/dt) 這里WP是等離子體總儲能，Pt是等離

12、子體得到的凈的加熱功率，它提供給所有通道的能量損失，包括輻射、熱傳導和對流。能量約束時間表示能量被約束在等離子體內(nèi)部的存在時間，它是可以直接或間接地測量到的物理量。,等離子體約束的一些基本問題,托卡馬克等離子體的約束是指將等離子體的粒子和熱能約束在其磁場位形中。磁約束等離子體，是一種動態(tài)平衡狀態(tài)下的多自由度體系，其中的粒子和能量都與外界不斷地進行著交換，等離子體的各種參數(shù)也隨著時間不斷地變化著，等離子體與約束等離子體的磁場位形有著強

13、烈的相互依賴關(guān)系，構(gòu)成一個非常復雜的電、磁、粒子系統(tǒng)。很多不穩(wěn)定性會影響能量約束，改變等離子體參數(shù)和磁場位形又可抑制或被激發(fā)各種不穩(wěn)定性，改善或變壞等離子體的約束。影響等離子體約束性能的主要物理過程包括磁流體平衡及其不穩(wěn)定性、雜質(zhì)輻射、電子和離子的反常輸運等。,磁場位形影響等離子體約束,在磁約束聚變裝置中，首要問題是建立能穩(wěn)定約束高溫等離子體的平衡位形，單個帶電粒子不僅能夠被長時間地約束，而且等離子體的能量也不會很快通過輸運過程被損

14、失掉。由于帶電粒子沿磁力線運動，決定了磁場對帶電粒子具有約束能力，簡單的均勻磁場并不能長時間約束帶電粒子。通過建立由外加磁場和等離子體電流產(chǎn)生的磁場的組合磁場，大部分帶電粒子可以長時間沿磁力線運動而不會明顯地損失掉，這就是所謂的磁場位形。一種好的磁場位形不但要約束住帶電燃料粒子，而且要能約束住核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高溫等離子體，并使其在這種磁場位形下保持宏觀平衡，也就是要使等離子體的壓強P，電流密度j和約束磁場B之間保持一定的平衡關(guān)系。

15、高拉長比和三角度位形是獲得先進等離子體的優(yōu)化位形。,磁流體不穩(wěn)定性影響能量約束,磁流體不穩(wěn)定性嚴重影響等離子體的約束性能，它會引起等離子體快速的宏觀不穩(wěn)定性，它包括發(fā)展速度極快的理想磁流體不穩(wěn)定性，以及相對較慢的電阻性不穩(wěn)定性。磁流體不穩(wěn)定性又可按其模式發(fā)生的位置分為內(nèi)部模、自由邊界?；虮砻婺?。后者屬于真空區(qū)的擾動模式和固定邊界模式，如外部扭曲模與僅發(fā)生在壞約束區(qū)的氣球模就屬于表面模，而大部分撕裂模和內(nèi)扭曲模都屬于內(nèi)部模?？刂频入x

16、子體電流和壓強分布可部分控制磁流體不穩(wěn)定性。如通過控制邊緣安全因子的大小可以控制外部扭曲模的增長；優(yōu)化電流分布有利于抑制撕裂模的發(fā)展；而控制壓強分布又可以抑制氣球模的發(fā)展。影響約束的主要磁流體模式是內(nèi)扭曲模和撕裂模；在非常高的比壓下，可能是氣球模和表面扭曲模。,電流極限破裂影響能量約束,當總電流超過磁流體穩(wěn)定性極限時會產(chǎn)生破裂，它大都出現(xiàn)在低q大電流放電中，邊緣q進入磁流體扭曲模的不穩(wěn)定參數(shù)區(qū)，從而激發(fā)扭曲模而導致放電破裂雖然等離子

17、體總體運行在穩(wěn)定參數(shù)區(qū)，但距不穩(wěn)定性的邊界不遠，于是實驗條件稍有變動，例如中性氣流突然加大，或雜質(zhì)流突然增加使邊緣很快冷卻，導致實際電流通道的收縮，邊緣等效安全因子降低而進入不穩(wěn)定區(qū)。在較高的邊緣安全因子條件下運行，或者對電流剖面進行控制，可以抑制電流極限破裂。,密度極限破裂影響能量約束,由于輻射功率隨密度近似平方增加，在接近密度極限時，大量功率輻射會使邊緣冷卻，電流通道收縮，電流分布改變，引起磁流體不穩(wěn)定性，導致類似于電流極限的破裂

18、。密度極限破裂可分為電子溫度分布收縮、熱淬滅及電流淬滅三個階段。當密度超過一定值后，邊緣電子溫度開始冷卻，這一過程逐漸向內(nèi)部區(qū)域發(fā)展，芯部電子溫度不斷降低，導致熱區(qū)很快收縮，此發(fā)展時間在100ms內(nèi)。當熱區(qū)收縮到q=2面附近時，邊緣熱通道收縮會誘發(fā)磁流體不穩(wěn)定性，開始進入熱淬滅階段，其熱等離子體柱被外區(qū)冷等離子體包圍，熱區(qū)實際處于脫離狀態(tài)，n=1的外部扭曲?？焖侔l(fā)展，導致冷等離子體與中心熱等離子體的混合，促使芯區(qū)電子溫度進一步降低，

19、熱淬滅時間在10ms以內(nèi)。最后進入電流淬滅階段，電流通道完全收縮，放電終止，其特征時間為幾十毫秒。由于密度極限破裂發(fā)展較慢，有時能觀測到MARFE等一些先兆現(xiàn)象，通過增加注入加熱功率可抑制密度極限破裂。,平衡位移失控影響能量約束,平衡失控失控這種情況在實驗中比較普遍，如送氣過快或加熱過快引起等離子體密度、溫度的快速變化，位移控制跟不上平衡位置的變化而引起等離子體快速靠近器壁，增強了等離子體與器壁的相互作用，加大了雜質(zhì)輻射而引起放電破裂

20、。這種位移破裂可以通過改進位移控制技術(shù)，即對位移進行快速反饋控制來避免。,電流快上升破裂影響能量約束,電流快速上升容易產(chǎn)生電流的趨膚分布，激發(fā)了一些較高的極向模數(shù)而引起邊緣區(qū)電流分布發(fā)生畸變通過激發(fā)磁流體不穩(wěn)定性而引起放電破裂，或者通過大量產(chǎn)生逃逸電子誘導放電破裂。這類破裂可以通過降低電流上升率或者讓密度與電流同步上升而抑制它。,比壓極限破裂影響能量約束,比壓極限破裂在高參數(shù)下出現(xiàn)，即使邊緣安全因子遠離磁流體不穩(wěn)定性邊界，也會因等

21、離子體比壓大于某種不穩(wěn)定性的臨界閾值而引發(fā)破裂。比壓極限破裂的特征類似于密度極限破裂，但比密度極限破裂更難控制。首先從平衡方程出發(fā)，要求等離子體壓強必須小于磁壓強，平衡條件所要求的比壓是很寬的條件，所以比壓極限破裂多源于磁流體不穩(wěn)定性的限制。磁流體不穩(wěn)定性以較快的增長率發(fā)展，引發(fā)二次或多次熱淬滅，如果整個過程影響到大部分約束區(qū)，最終會導致大破裂。如果僅影響部分約束區(qū)，可能只發(fā)生一次小破裂。理論研究表明比壓極限來自于氣球模不穩(wěn)定性，

22、是過大的壓強梯度與壞磁場曲率引起的；有的理論也認為在高比壓條件下，外部理想扭曲模的發(fā)展也會引發(fā)破裂。對于大型裝置以及未來的反應(yīng)堆，約束的主要限制來自密度極限破裂和比壓極限破裂。,雜質(zhì)影響等離子體能量約束,由于雜質(zhì)會增大等離子體能量的輻射損失，改變等離子體參數(shù)的空間分布，降低等離子體的能量約束時間，稀釋反應(yīng)離子的密度，降低聚變反應(yīng)等離子體的品質(zhì)因素，而成為等離子體約束研究的一個主要方面。輻射損失直接影響電子溫度剖面，而局部電子溫度又與

23、局部電阻率有關(guān)，因而輻射損失會影響環(huán)向電流密度剖面和安全因子剖面。這些剖面分布又影響等離子體磁流體不穩(wěn)定性，若等離子體發(fā)生宏觀不穩(wěn)定性，例如由于邊緣過分冷卻使電流通道收縮，會激化扭曲模和撕裂模不穩(wěn)定性，形成大的磁島，導致放電破裂。輻射損失也可使等離子體局部約束變壞。,雜質(zhì)控制可改善能量約束,雜質(zhì)按電荷數(shù)的大小可分為重雜質(zhì)和輕雜質(zhì)。重雜質(zhì)主要來源于真空室壁、孔欄或偏濾器靶板材料中的重金屬，重雜質(zhì)進入約束區(qū)后會造成非常大的輻射損失，只要

24、有萬分之幾的含量就可以使氘氚點火停止，因此是必須嚴格防止。輕雜質(zhì)主要是氧、碳、鋰、硼等，分別來源于真空室壁的吸附、孔欄材料或壁表面覆蓋材料。輕雜質(zhì)輻射雖比重雜質(zhì)小，但因其對燃料離子的稀釋作用，對等離子體總體品質(zhì)影響也很大，也要盡力避免。對雜質(zhì)的控制，首先是選擇適當?shù)钠鞅?、偏濾器靶板和孔欄等材料。早期的實驗中第一壁多采用高Z（鉬、鎢）材料，主要是因為這些材料有較高的熔點，且物理濺射的閾值高，實驗發(fā)現(xiàn)它們的等離子體品質(zhì)很差。后來改用低Z

25、雜質(zhì)，如石墨、硼或鈹?shù)茸鞯谝槐诓牧?。采用硼化、硅化等器壁處理技術(shù)，有效降低了第一壁的再循環(huán)，減少了雜質(zhì)及輻射功率，改善了等離子體約束，取得了很好的實際效果。輕雜質(zhì)的侵蝕率很大，反應(yīng)堆中太高的含量會降低燃料離子的濃度。偏濾器位形能減少等離子體與器壁的相互作用，它將大多數(shù)粒子和熱量引入專門的偏濾器區(qū)域，讓熱量沉積在特設(shè)的靶板上，并用特殊的磁場結(jié)構(gòu)阻擋靶板上濺射的雜質(zhì)回流至主等離子體區(qū)，顯著減少雜質(zhì)的來源?，F(xiàn)代偏濾器已經(jīng)成為托卡馬克磁場

26、位形中的一個重要組成部分，偏濾器物理也是磁約束研究的重要部分。,人類生活對能源的需求核聚變及受控核聚變原理等離子體約束的基本問題等離子體約束的各種模式等離子體輸運與能量約束定標約束改善與邊緣局域?？刂瓶偨Y(jié)和討論,內(nèi)容摘要,等離子體約束的幾種類型,等離子體約束行為可分為三大類第一類是歐姆加熱條件下的等離子體行為第二類是由輔助加熱引起的較歐姆加熱條件下的能量約束變壞的所謂低約束狀態(tài)（L-模）第三類是較L-模狀態(tài)的能量約束有

27、所改善的放電模式，即高約束模式（H-模）,歐姆加熱的能量約束特性,在歐姆加熱放電條件下，等離子體的能量約束時間與等離子體密度ne，大小半徑R、a ，安全因子q有關(guān)，通常滿足Neo-Alcator定標關(guān)系在密度較低時，此定標給出能量約束時間隨等離子體密度線性增加，即所謂的LOC約束特性。當密度增加到一定值后，τE隨ne增加的趨勢將減弱，最后出現(xiàn)飽和或回落的現(xiàn)象，此種約束狀態(tài)被稱為SOC約束狀態(tài)。出現(xiàn)飽和約束時間的臨界密度值具有定標:

28、nsat=0.7Bt(T)Ai0.5/ qa R(m),飽和能量約束時間的定標率,ITER數(shù)據(jù)分析組專門對圓截面等離子體在SOC方式下的數(shù)據(jù)進行了回歸分析，得到了下面的飽和能量約束時間定標律[NF37, 1303]： 通過控制密度的分布，如利用彈丸或分子束注入加料，使密度分布變陡；或?qū)ζ鞅谶M行預處理，降低邊緣再循環(huán)，來增加密度的峰化因子，可增加飽和密度值。當?shù)入x子體密度已達到LOC區(qū)的臨界飽和密度，τE仍隨ne增

29、加而線性增加；只有ne達到一新的臨界值后，τE才出現(xiàn)飽和，此時的能量約束時間已大幅度提高，這種約束得到較大提高的歐姆放電叫IOC放電。在ASDEX上，首先對IOC放電進行了深入研究。,,輔助加熱下的低約束模特性,早期人們采用高能中性粒子或射頻波注入來提高等離子體溫度，發(fā)現(xiàn)能量約束時間隨加熱功率增加而明顯下降，即所謂的低約束模放電。這意味著等離子體的反常輸運隨溫度增加而增加，并大致滿足功率定標關(guān)系τE ? Ptot-0.5。最先由Ka

30、ye和Goldston給出了低約束模的能量約束定標律，通常叫做 Kaye-Goldston定標律，后來在綜合了很多聚變裝置如ASDEX，PLT，TFR，JET，TFTR，JT-60U，DIII-D 的實驗數(shù)據(jù)后發(fā)展起來了ITER89-P定標律。約束變壞可能是溫度超過了某種臨界梯度，突然激發(fā)某些微觀不穩(wěn)定性，例如ITG，導致了反常熱導率突然加大。不同的加熱功率沉積剖面也會影響捕獲粒子特性，從而激發(fā)某種反常輸運模式而導致約束變壞。當人

31、們對低約束模感到失望時，在ASDEX上獲得了比低約束模式好近一倍的穩(wěn)定約束，并把它叫做高約束模式。目前人們正在對不同的放電條件下的等離子體約束行為進行深入研究，探索改善約束的各種有效途徑。,多種等離子體約束改善模式,在ASDEX上，首先觀察到當輔助加熱功率達到或超過一定閾值時，等離子體約束性能突然增加，其能量約束時間與L－模約束定標相比可增加約1倍，等離子體約束具有很多新的特點，這就是所謂的H－模放電 [Wagner 84, Phys

32、. Rev. Lett. 53, 1453]。H－模的發(fā)現(xiàn)對當時的聚變界是一個巨大的鼓舞，接著人們幾乎在所有的具有較大非歐姆加熱的裝置上都觀察到類似的H－模約束狀態(tài)，而且無論是偏濾器位形或孔欄位形，中性束加熱或射頻波加熱，甚至在非感應(yīng)電流驅(qū)動條件下，都可實現(xiàn)此種H－模放電。后來又發(fā)現(xiàn)了與ASDEX的H－模特征不同的其它改善約束狀態(tài)，這些改善約束不僅具有更高的改善因子，而且具有明顯改善中心約束性能的特征。,約束增強因子H89隨中心離子

33、與電子溫度比例的變化,H-模的典型特征,在DIII-D上觀察到，H－模發(fā)生時，邊緣密度漲落突然在幾厘米范圍內(nèi)減少。在JET上，約束的突然改變可以發(fā)生在等離子體外圍區(qū)域的較大范圍內(nèi)，并不只限于等離子體邊緣。觀察發(fā)現(xiàn)，極向轉(zhuǎn)動速度的增加先于L-H模轉(zhuǎn)換，且徑向電場的最大剪切（即dEr/dr）和極向速度最大剪切的位置是與粒子密度、電子和離子的溫度梯度的最大位置基本一致，也與密度漲落減少的位置一致，證實了理論預言，即極向轉(zhuǎn)動速度及其剪切的增

34、加，或徑向電場剪切的增加，是減少湍流輸運和改善約束的必要條件。在一些裝置上還進行了在孔欄上加電偏壓或在邊緣區(qū)域附近外加電極偏壓誘發(fā)類H－模的實驗。當偏壓電場達到足夠大小時，等離子體約束也會發(fā)生類似于L-H模轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，這種類H－模約束態(tài)具有輔助加熱產(chǎn)生的H－模約束態(tài)類似的特征，因此從另一角度證實了邊緣電場及其剪切在產(chǎn)生H－模轉(zhuǎn)換過程中的重要作用。,H－模的功率閾值,H－模首先在ASDEX上中性束注入下得到，當注入功率達到一定閾值后，放

35、電會突然從低約束態(tài)轉(zhuǎn)變成高約束態(tài)，典型的高約束態(tài)的能量約束時間是低約束態(tài)的兩倍。能量約束時間的增大意味著在同樣的加熱功率下等離子體儲能增大，這種增大既來自電子和離子溫度的增加，也來自粒子密度的提高。L－H模轉(zhuǎn)換需要滿足一些條件，如加熱功率必須大于一定閾值。對ASDEX裝置，H模發(fā)生的條件是等離子體單位表面積的功率密度P/S應(yīng)大于（2?3）?10-2 MW/m2。后來根據(jù)大多裝置實驗數(shù)據(jù)，得出L-H模轉(zhuǎn)換的功率閾值定標 [Doyle

36、 07, NF47，S82]：PLH(MW) = 0.042ne0.73(1020 m-3) BT0.74(T) S0.98(m2) 對ITER裝置參數(shù) ne = 0.5 × 1020 m?3, Bt = 5.3 T 和S = 680 m2，則L－H轉(zhuǎn)換功率閾值PLH＝52MW，小于第一階段73MW的加熱功率。,產(chǎn)生H－模的其它條件,早期對L-H模轉(zhuǎn)換的功率閾值的機理并不是很清楚，此閾值隨等離子體尺寸、密度和縱場

37、而增加，還存在其它條件影響模轉(zhuǎn)換的條件。雖然L-H模轉(zhuǎn)換可在偏濾器或孔欄放電中出現(xiàn)，但在偏濾器位形中更容易轉(zhuǎn)換。只要縱場在使磁場梯度漂移朝向偏濾器的方向，單零點比雙零點位形所要求的功率閾值低。在ASDEX上，H-模僅發(fā)生在較高的密度區(qū)，約ne>3?1013cm-3，后來在較低的密度條件下，也能實現(xiàn)H-模，但要求更大的功率閾值。,H-模的產(chǎn)生機制,人們已經(jīng)提出了幾種可能產(chǎn)生H-模的機制一種模型認為H-模轉(zhuǎn)換可能是輸運方程存在故

38、有的雙解一種模型認為，L-H轉(zhuǎn)換與邊緣等離子體不穩(wěn)定性的突然改變有關(guān)，此改變又與流速的剖面分布有關(guān)。例如，增加橫越不穩(wěn)定區(qū)的流剪切可能抑制某些不穩(wěn)定性。約束的改善首先是從等離子體邊緣開始的，當加熱功率接近L-H模轉(zhuǎn)換的閾值功率時，邊緣溫度的增加使等離子體壓強梯度在邊緣區(qū)不斷增加，溫度分布在邊緣區(qū)變陡，極向旋轉(zhuǎn)速度在此區(qū)域明顯加大，于是在此區(qū)域形成邊緣輸運壘ETB。在ETB出現(xiàn)后，在能量約束時間尺度內(nèi)，電子密度在整個等離子體區(qū)域內(nèi)增

39、加，并伴有整個等離子體通道內(nèi)的約束改善。,H－模放電的控制,對下一代托卡馬克如ITER裝置，H－模已被確定為其常規(guī)運行模式。能否在反應(yīng)堆上用H－模運行，還決定于改善約束的優(yōu)勢能否在可控的條件下實現(xiàn)，是否增加反應(yīng)堆的等離子體雜質(zhì)含量和芯部?粒子的堆積。約束改善的H－模的溫度增加是不可控的，容易發(fā)生從H-L模的逆轉(zhuǎn)換，且約束的改善也包括雜質(zhì)約束增強，出現(xiàn)雜質(zhì)積累。雜質(zhì)積累的影響可利用邊緣局域模ELM來緩解，但又犧牲了部分的約束改善效果

40、，特別是脈沖式ELMs的熱負荷會對器壁和偏濾器造成傷害。,TFTR上的超級放電,在歐姆加熱條件下通過提高密度的峰化因子可以得到改善約束的IOC放電。在強的輔助加熱條件下，峰化的密度分布能進一步改善約束，且改善約束的程度很大，這對輔助加熱的前景意義非常重大。在TFTR上，利用獨特的壁處理技術(shù)，在低密度下，將兩束方向相反的平衡中性束注入到等離子體中，發(fā)現(xiàn)具有非常峰化的密度分布和低的再循環(huán)，等離子體約束改善因子比一般的H模還大，可達到3左右

41、，聚變?nèi)朔ene0?ETi0比L模時增大20倍，為一般邊緣H模的5倍，能量約束時間隨密度峰化因子而增加。 [Scott 95, PoP2，2299]在此種高約束模式下，進一步提高約束的限制來自磁流體不穩(wěn)定性，TFTR 上超級放電的最高歸一化比壓達到?N<2.7，而極向比壓不能超過縱橫比A=R/a，主要的不穩(wěn)定模式是低n外部扭曲模及氣球模，表現(xiàn)為較軟的比壓極限崩塌或快破裂。,JET的彈丸增強性能H－模,JET的彈丸增強性能（PEP

42、）H－模也是通過提高密度的峰化因子來改善約束，此種改善約束是在彈丸注入下得到的。[PPCF36, A23]在氫丸或氘丸注入下，等離子體的壓強分布劇烈峰化，其能量約束改善因子達3.8，據(jù)推測這樣高的約束改善因子可能與負剪切位形有關(guān)在能量約束改善的同時，粒子約束也得到改善。因此在密度增加時，雜質(zhì)在等離子體中心積累更強，相應(yīng)的輻射功率在整個H模的持續(xù)期間都增加了，致使H模在輻射功率達到加熱功率的60%就被終止了。在JET上，通過控制從X

43、點注入氘的流量和從邊緣注入適量的雜質(zhì)鎳以改善H模的約束性能。這種低粒子約束H模（LPCH-mode, Low Particle Confinement H-mode）[Bures 92, NF32，539]是在ECRH實驗中得到的，其粒子約束比一般的H模至少小3倍；電子密度、氘密度和輻射功率均比H模的小，所以氘密度不會因雜質(zhì)的過多積累而進一步稀釋，放電可以控制在較穩(wěn)定的狀態(tài)下。由于密度的減少，等離子體儲能減少約20%，但這種H?？梢栽?/p>

44、整個ECRH期間持續(xù)而不會被中斷。由于LPCH約束模式在等離子體邊緣具有較大的向內(nèi)對流速度，其粒子約束行為在小半徑為0.5<?<0.8范圍內(nèi)具有類L模的粒子擴散率，在邊緣具有H模的輸運壘。此種放電類似邊緣局域模ELMs的作用，但在D?上因沒有尖峰信號而具有無ELMs的H模放電特征。,DIII-D上的甚高約束模式,在DIII-D上通過對器壁進行硼化處理，使雜質(zhì)內(nèi)流速度降低了約一個數(shù)量級，粒子再循環(huán)也非常小，獲得了一種新的比邊緣

45、輸運壘位置明顯內(nèi)移的甚高約束模式（VH－模）。[PRL67，3098]VH－模式是從無ELMs的H－模演化來的，條件是邊緣粒子源和雜質(zhì)源得到很好控制。其主要特征是粒子密度和溫度的陡變區(qū)域明顯內(nèi)移到約小半徑的0.7倍處。在內(nèi)部，粒子密度非常平坦而溫度梯度很大。VH一模的約束改善因子可達4以上，這種約束是瞬態(tài)的，在0.5s以后轉(zhuǎn)化為通常的H模放電。這主要是雜質(zhì)不斷積累及低n磁流體模發(fā)展的結(jié)果，內(nèi)部扭曲模的發(fā)展也可能起了作用。VH－模的

46、輸運壘仍然比較靠近邊緣，結(jié)果引起較大的邊緣區(qū)自舉電流。這一邊緣自舉電流使邊緣電流分布變平，通道加寬，通過實測電流和壓強分布進行的氣球模分析證實了穩(wěn)定區(qū)的擴展，甚至將第一穩(wěn)定區(qū)和第二穩(wěn)定區(qū)連成一片，導致氣球模被穩(wěn)定化。將實驗數(shù)據(jù)代入一輸運程序計算后得出，在約束模式從具有ELMs的放電到無ELMs的放電，再到VH模的整個演化過程中，粒子的擴散系數(shù)和離子的熱導率一直在減少，因此等離子體儲能不斷增加，能量約束時間不斷加大，形成了約束非常好的放

47、電模式。,TEXTOR上的輻射改善約束模,密度在歐姆加熱的能量約束定標中起主要作用，它在輔助加熱的L模放電中處于次要地位，等離子體電流成了主要的定標參數(shù)。 [NF39,1637]輻射改善約束模（RI-模）是比L模的能量約束有較大改善的一種放電模式。在這種放電條件下，密度再次成為主要的定標參數(shù)而使約束可達到H-模放電的水平。RI－模放電是在ICRH和NBI注入條件下，加入少量的氖而形成的[NF34，825]，它與JET上的LPCH放電

48、類似。此限定詞“輻射”是源于通過適量注入雜質(zhì)，輻射大量的功率，形成一個‘冷’的等離子體邊緣，RI－模式有助于解決聚變反應(yīng)堆的排灰問題。此種RI－模與其它裝置上的種子雜質(zhì)注入改善約束的物理機制一樣，它通過增加有效電荷數(shù)和電子密度梯度來抑制ITG輸運，主要是提高了激發(fā)ITG的臨界梯度和電場剪切壓縮。,輻射改善約束模的主要特性,RI－模放電與反應(yīng)堆的要求條件是相容的在等離子體密度接近Greenwald密度極限時，約束可達到無ELMs或有

49、ELMs的H模水平。邊緣的輻射可達輸入功率的95%在TEXTOR-94上，RI－模的等離子體比壓值可達到極限值（歸一化?N=2或極向?p=1.5）少量的雜質(zhì)注入對中子的產(chǎn)額影響可忽略。在高密度條件下，等離子體的一個品質(zhì)參數(shù)fL89/q可高達0.8，fL89是約束改善因子，與H因子一樣。,JT-60U上的氬雜質(zhì)注入改善約束,能量約束改善因子通常隨密度增加而下降在JT-60U上，為了在高密度條件下得到改善約束和增強輻射損失的放電，

50、注入少量的惰性氣體氬到ELMy H－模的等離子體中，通過控制氬的送氣量，可以反饋控制邊緣的輻射損失功率。在ne<0.7nG，總輻射損失小于0.8Pnet（Pnet是凈加熱功率）以內(nèi)，實現(xiàn)了ELMy H－模的穩(wěn)態(tài)運行。在較低的氬送氣量下，電子密度可增加很多，邊緣再循環(huán)可以一直保持較低，放電時間延長，輻射損失功率增加了10%。當ne=0.7nG時，輻射損失功率達到了80%，H因子從沒有氬注入時的1增加到1.4 [Kubo, NF41

51、, 227] 。,雜質(zhì)注入改善約束的機理,與RI模不一樣，氬注入并不引起等離子體密度分布的太大變化，也就是注入前后密度分布幾乎保持不變 在JT-60U上，在氬注入下整個等離子體通道內(nèi)的電子和離子的溫度都增加了，約束在中心和邊緣都得到了改善 由于在高密度條件下，氬的注入可改善邊緣約束，為此人們認為不同的邊緣結(jié)構(gòu)，如較高的邊緣離子溫度，可能是影響中心區(qū)約束的一個因素。也有人認為雜質(zhì)的注入削弱了離子溫度梯度模，由此改變了等離子體的約束模式

52、。在反剪切位形放電條件下注入氖到偏濾器區(qū)，得到輻射損失分額大于0.8的高約束狀態(tài)（H89PL＝2），此時的ne>0.7nG；高密度的低溫偏濾器等離子體處于脫欄狀態(tài)，其密度達0.84nG，H因子為1.6，輻射損失率為0.7。氖的注入使內(nèi)部輸運壘增強，約束改善。,DIII－D上的EDA H-模改善約束,DIII-D上的EDA (Enhanced D-Alpha) H-模是一種無邊緣局域模的放電 [Greenwald 2000, PP

53、CF 42, A263] 在無ELM的H－模放電中，存在雜質(zhì)積累問題。雜質(zhì)的積累使中心輻射功率增加，約束易于退回到L模狀態(tài)。在EDA放電中，通過增加邊緣密度擾動，使雜質(zhì)約束變壞，但能量約束僅比無ELMs的H模減少了10%。在Prad/Pin1.2時，在EDA期間可觀察到小的ELMs活性。出現(xiàn)EDA放電的條件是中心壓強很高（或大的等離子體密度），q95>3.5，三角形變因子在0.35<?<0.55范圍內(nèi)。EDA

54、放電與JET上的低粒子約束模LPCH，DIII-D上的II型ELMs模和JT-60U上的小ELMs放電類似。,負磁剪切位形改善約束模式,目前最好的穩(wěn)態(tài)托卡馬克約束改善模式是在JT－60U上觀測到的高?P H模式[NF39，1627]和各種負剪切位形放電。TFTR上的負剪切增強約束模式 [PRL75，4417]，DIII-D上的中心負剪切模式[NF36，1271]，JT-60U［PoP4,1623]和JET［PPCF39，B1］上的內(nèi)部

55、輸運壘位形（ITB）均是以負磁剪切位形為基礎(chǔ)的幾種類似的改善約束模式。負磁剪切位形是在等離子體中心形成負的磁剪切區(qū)，其安全因子q的分布函數(shù)不再是單調(diào)下降的分布，且具有高的自舉電流分額。,負磁剪切位形改善約束的特點,負磁剪切位形的約束特點是在電子和離子的溫度及密度剖面上，觀測到在某一有理面附近（r/a?0.6）存在一個梯度變化非常大的內(nèi)部輸運壘ITB。在ITB區(qū)域內(nèi)，電子和離子的輸運系數(shù)急劇減少，有時其擴散系數(shù)和離子熱導率已接近新經(jīng)典

56、理論值。在等離子體內(nèi)部區(qū)域形成了一個輸運屏障，也就是ITB位置以內(nèi)的能量被有效約束住了。負磁剪切位形的形成過程如下：在放電初期使環(huán)電流有一較快的上升，同時加入適當?shù)闹行允β什⑿纬芍锌盏碾娏鞣植迹陔娏鬟_到平頂后，再大量增加中性束功率來獲得高參數(shù)等離子體。初期的中性束注入只是使電子溫度很快提高，形成一個中空的電流分布；后期的高功率NBI使等離子體壓強梯度迅速加大，中心區(qū)的粒子密度很快提高，這兩種效應(yīng)都使自舉電流比例加大，負磁剪切位

57、形得以長時間維持。這種運行模式能同時具有中心負磁剪切和非常峰化的密度分布。,雙輸運壘的約束改善模式,為了形成同時具有內(nèi)部輸運壘和邊緣輸運壘的雙輸運壘，需要避免中心加熱功率過分集中，壓強梯度過陡所導致的比壓極限崩塌，它會使放電在高約束狀態(tài)終止。在JT-60U上，有兩種方法可建立雙輸運壘[NF39，1627]：一種是適當減少電流上升段的中性束加熱功率，以防止過早建立強的內(nèi)部輸運壘，在較弱的負磁剪切位形下，強功率注入，先形成邊緣輸運壘，再逐

58、漸形成內(nèi)部輸運壘另一種是在ITB形成后，通過改變切向中性束注入來改變等離子體的環(huán)向旋轉(zhuǎn)而激發(fā)邊緣輸運壘。在雙輸運壘放電中，在三角形變因子?為0.3的情況下，HITER89P達到1.7，?N達到1.2，儲能為3MJ，實現(xiàn)了持續(xù)的準穩(wěn)態(tài)放電，放電持續(xù)時間達5.5s（18倍?E），有的放電?N可達2.3。,強負剪切的ITB放電中，JT－60U和DIII－D的Te、Ti、q分布,強負剪切放電中，JET上的ITB放電中的Te、Ti、q分布,DI

59、II-D上ITB放電的參數(shù)分布,(a)負剪切等離子體 (IP = 1.3 MA、BT = 3.7T、q95 = 4.9–5.2 和HHy2 < 1.6) 分布 (b) 弱正剪切等離子體(IP = 1.0 MA、BT = 2.0–3.8 T、q95 = 3.7–6.3和 HHy2 < 1.0)的Ti、Te 和q分布（上圖)， ni、ne、nHe 和nC的分布(中圖)，ne 和nAr 分布（下圖）。,ITB改善約束的分類,在負

60、磁剪切位形中，ITB是改善約束的關(guān)鍵所在。在ITB薄層內(nèi)，溫度梯度變陡，電子和離子的熱擴散同時減少，通過研究徑向電場分布，人們發(fā)現(xiàn)足夠強的E?B流剪切可能抑制了微觀不穩(wěn)定性。通過理論分析和輸運計算清楚表明，在ITB內(nèi)，Er剪切明顯增強，熱擴散率可減少至新經(jīng)典水平。在ITB區(qū)域內(nèi)的E?B剪切率與高n的環(huán)向漂移模的線性增長率一樣大，表明E?B流在極向方向能抑制微觀不穩(wěn)定性。人們常將ITBs分成拋物線型ITB（ITB以內(nèi)的剖面分布呈拋

61、物線型）和方型ITB（ITB以內(nèi)的剖面分布很平），在ITB處分布突然減少。對于拋物線型ITB，熱擴散系數(shù)?在整個中心區(qū)域均減少，但Er剪切（dEr/dr）不大。對于方型ITB，Er和?的變化均發(fā)生在很窄的ITB區(qū)域內(nèi)，在此區(qū)域內(nèi)Er剪切很強，?可減少至新經(jīng)典水平，估計此時的E?B剪切率?EXB大于漂移微觀不穩(wěn)定性線性增長率。,高極向比壓的約束改善模式,對于高極向比壓（?P）放電 [NF39，1627] ，其q(r)是單調(diào)下降函數(shù)，中

62、心q大于1，在具有中心電流驅(qū)動條件下，被認為是有利于穩(wěn)態(tài)運行的位形結(jié)構(gòu)。在同樣的等離子體參數(shù)下，高極向比壓意味著較小的環(huán)電流，如果這種位形具有好的穩(wěn)定和輸運特性，對減少反應(yīng)堆的工程壓力是有利的，同時也有利于減少穩(wěn)態(tài)運行所要求的非感應(yīng)驅(qū)動電流。對于要求同時達到高約束、高?、高自舉電流分額以及有效的熱和粒子排除的穩(wěn)定運行等離子體，高?P放電可達到具有高?P的ELMy H模的持續(xù)高約束等離子體，其HITER89P?1.7，Ti(0)?10

63、keV，?N?1.8，總的輸入功率達到203MJ，為JT-60U上的一個高參數(shù)放電記錄。在這種大功率注入條件下，相應(yīng)的碳雜質(zhì)和氘的再循環(huán)并沒有增加。,在高βp模式放電中用ECRH排除氬,ECRH前和期間的電子密度分布 (a) 氬密度nAr分布 (b) 電子溫度分布(c)離子溫度分布(d),高極向比壓的放電控制,高極向比壓放電位形是在高功率加熱以前，突然將環(huán)向電流大幅度降低，使得加熱過程中的等離子體內(nèi)感加大，電流密度進一步峰化，結(jié)果

64、使低n磁流體模得到抑制，極向比壓或歸一化比壓進一步提高。由于低n電阻性模的作用，長時間放電達到的?N（?N?2可維持5?9s）比短時間放電所能達到的?N（?N?3.2已接近于理想極限）小，所以對于長時間維持高?P ELMy H模的?極限明顯低于理想MHD極限，增加等離子體三角形變和電子密度有利于提高長時間放電的穩(wěn)定性。對于這種高?P H模放電，在三角形變因子很大的條件下，?=0.5，?P =1.8時，從電子溫度、密度、離子溫度分布上

65、也可觀察到內(nèi)部和邊緣的雙輸運壘，此時ITB出現(xiàn)在正磁剪切區(qū)，而不在出現(xiàn)在負磁剪切區(qū)。,同位素效應(yīng)改善約束,在TFTR上通過各種氘D和氚T放電廣泛研究了同位素的約束改善，此改善出現(xiàn)在峰化密度的超級放電(?E?0.85)和高內(nèi)感放電中，以大幅度增加中心離子能量約束為主。在密度分布變寬的高NBI功率加熱L模放電中，以DT為等離子體的放電比用D等離子體的熱能多了12-25%（?E?0.5）。在4MW的ICRF加熱L模放電中，DT等離子體的總

66、能量比D等離子體的增加了8-11%（?E?0.35-0.5）。在L 模和超級放電中為了維持相同的溫度，D比T的等離子體所需要的加熱功率多30%。在超級放電中所觀察到?E?0.85的同位素效應(yīng)主要是由于離子熱擴散率下降?i?-1.8的關(guān)系。當固定離子溫度，?i隨A的增加而減少。在密度峰化的孔欄H模放電中，也觀察到此同位素效應(yīng)。通常認為Er剪切在氚中比氘中更具有穩(wěn)定各種模的作用。但在歐姆放電、負磁剪切放電、增強的負磁剪切放電中沒觀

67、察到同位素效應(yīng)改善能量約束。,等離子體位形和分布與約束改善,在DIII-D上[NF39,1785]，人們通過控制等離子體形狀來控制邊緣壓強梯度和自舉電流，以此優(yōu)化等離子體形狀和宏觀參數(shù)。當?shù)入x子體位形呈適當?shù)姆叫螘r，具有環(huán)向模數(shù)n=2?9的快增長率?-1=20-150?s的磁擾動經(jīng)常先于第一個大的I型ELM出現(xiàn)，幾乎接近高n理想氣球模第二穩(wěn)定區(qū)。邊緣不穩(wěn)定性隨邊緣壓強梯度和自舉電流的增加而增強，通過控制等離子體的形狀可讓邊緣參數(shù)進入氣

68、球模第二穩(wěn)定區(qū)，從而改變ELM的幅值和頻率，通過避免接近氣球模第二穩(wěn)定區(qū)來降低邊緣不穩(wěn)定性。在ECRH實驗中 [NF39,1807]，觀察到電子的能量約束時間隨拉長比的增加而增加，部分原因是等離子體電流隨拉長比的增加而增加。通常在低功率注入條件下，三角形變對約束的影響較強，并隨功率的增加此影響變?nèi)酢?在不同三角度δ時，相對于經(jīng)驗H－模定標的約束增強因子H98隨ne/nG 的變化。左圖是JET，右圖是AUG,人類生活對能源的需求核聚

69、變及受控核聚變原理等離子體約束的基本問題等離子體約束的各種模式等離子體輸運與能量約束定標約束改善與邊緣局域?？刂瓶偨Y(jié)和討論,內(nèi)容摘要,經(jīng)典和新經(jīng)典等離子體輸運,聚變等離子體的各種基本參數(shù)都是空間位置的函數(shù)，如粒子密度和溫度通常隨等離子體半徑增加而單調(diào)下降。這種參數(shù)的不均勻分布使得等離子體的粒子和能量通過擴散和對流而損失，這種損失過程就叫等離子體輸運。聚變等離子體輸運既包括各種宏觀磁流體不穩(wěn)定性又包括微觀不穩(wěn)定性引起的反常擴散

70、和對流。在沒有任何不穩(wěn)定性時，環(huán)向?qū)ΨQ的等離子體輸運可用新經(jīng)典輸運理論來描述。新經(jīng)典輸運理論描述的環(huán)形等離子體，由于粒子的漂移會使擴散系數(shù)和熱導率比直柱位形大一個量級以上。普菲爾許和施魯特定量地證明擴散系數(shù)將增加到（1+q2）倍，這里q是安全因子，它只適用于高碰撞的流體等離子體。在碰撞很低時，計算發(fā)現(xiàn)在弱碰撞區(qū)中捕獲粒子的行為對輸運起主要作用，其值比通行粒子增加?-3/2倍,還認識到在‘流體’區(qū)向弱碰撞區(qū)過渡時出現(xiàn)一個‘平臺’區(qū)，