高參數(shù)托卡馬克等離子體輸運(yùn)研究PPT演示課件

1、1高參數(shù)托卡馬克等離子體輸運(yùn)高參數(shù)托卡馬克等離子體輸運(yùn)研究研究 董家齊董家齊核工業(yè)西南物理研究院核工業(yè)西南物理研究院磁約束核聚變相關(guān)物理問(wèn)題磁約束核聚變相關(guān)物理問(wèn)題雙清論壇雙清論壇 2007年年3月月23日日,安徽安徽,合肥合肥 2概要概要一、一、引言引言二、等離子體質(zhì)量、動(dòng)量和能量橫越磁場(chǎng)的輸運(yùn)二、等離子體質(zhì)量、動(dòng)量和能量橫越磁場(chǎng)的輸運(yùn)三、三、輸運(yùn)壘輸運(yùn)壘磁約束等離子體中的自組織現(xiàn)象磁約束等離子體中的自組織現(xiàn)象四、理論和數(shù)值模擬四、理論和數(shù)值模擬 五、五、結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ)3一、引言一、引言 受控核聚變能源：受控核聚變能源：資源豐富（足夠用上幾百億資源豐富（足夠用上幾百億年）、潔凈（無(wú)污染）、安全

2、（核事故概率幾年）、潔凈（無(wú)污染）、安全（核事故概率幾乎為零）且經(jīng)濟(jì)（消費(fèi)者可以承受乎為零）且經(jīng)濟(jì)（消費(fèi)者可以承受） ; 受控?zé)岷司圩兪桥c將來(lái)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步、受控?zé)岷司圩兪桥c將來(lái)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步、人類(lèi)文明密切相關(guān)的有廣闊應(yīng)用前景的重大研人類(lèi)文明密切相關(guān)的有廣闊應(yīng)用前景的重大研究領(lǐng)域究領(lǐng)域; 受控?zé)岷司圩冄芯恐杏袠O具科學(xué)探索性和對(duì)人受控?zé)岷司圩冄芯恐杏袠O具科學(xué)探索性和對(duì)人類(lèi)智慧的挑戰(zhàn)性的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。類(lèi)智慧的挑戰(zhàn)性的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。 4 受控核聚變?cè)诂F(xiàn)代物理學(xué)中的地位受控核聚變?cè)诂F(xiàn)代物理學(xué)中的地位 ：2003年諾年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者vitaly l. ginzburg

3、在他的在他的獲獎(jiǎng)演說(shuō)中列出了二十一世紀(jì)初物理學(xué)的三十獲獎(jiǎng)演說(shuō)中列出了二十一世紀(jì)初物理學(xué)的三十個(gè)重要領(lǐng)域（個(gè)重要領(lǐng)域（“physical minimum” at the beginning of the xxi century）。出人意料的是，）。出人意料的是，他沒(méi)有把讓他走上領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)的研究領(lǐng)域他沒(méi)有把讓他走上領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)的研究領(lǐng)域-超導(dǎo)和超超導(dǎo)和超流，而是把受控核聚變流，而是把受控核聚變(controlled nuclear fusion)列于其首。在對(duì)此作解釋時(shí)，他提到了列于其首。在對(duì)此作解釋時(shí)，他提到了1978年年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者p. l. kapiza的獲獎(jiǎng)演說(shuō)的獲獎(jiǎng)演說(shuō)

4、的題目是：等離子體和受控?zé)岷朔磻?yīng)。的題目是：等離子體和受控?zé)岷朔磻?yīng)。 5二、二、等離子體質(zhì)量、動(dòng)量和能量橫越等離子體質(zhì)量、動(dòng)量和能量橫越磁場(chǎng)的輸運(yùn)磁場(chǎng)的輸運(yùn) 等離子體橫越磁場(chǎng)的輸運(yùn)是等離子體橫越磁場(chǎng)的輸運(yùn)是磁約束磁約束核聚變的核核聚變的核心物理問(wèn)題之一心物理問(wèn)題之一; 離子和電子橫越磁力線的擴(kuò)散系數(shù)分別約為新離子和電子橫越磁力線的擴(kuò)散系數(shù)分別約為新經(jīng)典理論預(yù)言值的十倍到一百倍經(jīng)典理論預(yù)言值的十倍到一百倍; ; 漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)、微觀不穩(wěn)定性和湍流微觀不穩(wěn)定性和湍流: : etg, tem, etg, tem, itg, mhd.itg, mhd. 集體效應(yīng)集體效應(yīng)( (非兩體碰撞）主導(dǎo)的輸運(yùn)非

5、兩體碰撞）主導(dǎo)的輸運(yùn). . 6mhd-drivener-fieldtizonal-f fzonal-a ae1 i1 a1a1i1 xkykmhdion scaleelectron scaleskin size e1mmmmcmaei05. 0250781.質(zhì)量輸運(yùn)質(zhì)量輸運(yùn)：雜質(zhì)輸運(yùn)，雜質(zhì)輸運(yùn)，pinch effectpinch effect,密度峰化密度峰化; ;2.動(dòng)量輸運(yùn)：動(dòng)量輸運(yùn)：世界各大裝置聯(lián)合研究的重要課題世界各大裝置聯(lián)合研究的重要課題：itpa 2006 (tp 6, momentum transport/ plasma rotation studies ),d-d，jt-60u

6、，剪切流對(duì)湍性輸運(yùn)的作用; tore supra: toroidal rotation observed with icrh in correlation with confinement improvement (l-mode)93.能量輸運(yùn)：能量輸運(yùn)：離子熱輸運(yùn)機(jī)制基本清楚，離子熱輸運(yùn)機(jī)制基本清楚，itgitg加加剪切流，仍然不能從理論上預(yù)測(cè)離子的熱傳導(dǎo)剪切流，仍然不能從理論上預(yù)測(cè)離子的熱傳導(dǎo)系數(shù)系數(shù); ; 電子熱輸運(yùn)有待研究的問(wèn)題：電子熱輸運(yùn)有待研究的問(wèn)題：(1)驅(qū)動(dòng)機(jī)制：驅(qū)動(dòng)機(jī)制：tem vs. etg (tem vs. etg (tp 7 measure itg/ tem line

7、splitting & compare to code .).)pure electron heating: threshold for tem at r/lte 3 (similar observation on jet)10scattering system measures reduced d dn/n from upper itg/tem to etg kr ranges during h-moderesults consistent with modeling itg/tem stable during h-phase etg modes could be important

8、 /lower growth rate during h-modeelmsnstx: new high resolution tangential microwave scattering system (280 ghz) allows high resolution of turbulence measurement11(2)非局域（非擴(kuò)散）性非局域（非擴(kuò)散）性 electron heat transport can be explained only by local transport?local transport assumption:qe(1) = f(te(1), te(1),

9、ne(1), ne(1), ) experiments on toroidal plasmas shows nonlocality qe(1) = f(te(1), te(1-d), te(1+d), , te(1), te(1-d), )in electron heat transport12characteristics of nonlocal te rise in lhd plasmas3) variety of time responselarger dte/dtstronger edge coolingsimultaneityte rise delayedne increases13

10、 (3)(3)溫度分布剖面的不變性與可變性。溫度分布剖面的不變性與可變性。 電子溫度分布的剖面不變性電子溫度分布的剖面不變性 14 模型：模型：電子溫度梯度電子溫度梯度( (etg)驅(qū)動(dòng)的湍流支配電驅(qū)動(dòng)的湍流支配電子能量的反常輸運(yùn)；子能量的反常輸運(yùn)； 溫度分布陡（溫度梯度大）溫度分布陡（溫度梯度大）湍流發(fā)展湍流發(fā)展輸運(yùn)輸運(yùn)系數(shù)增加系數(shù)增加溫度分布變平溫度分布變平溫度梯度低于一定溫度梯度低于一定的閾值的閾值湍流就消失湍流就消失輸運(yùn)系數(shù)就降到新經(jīng)典輸運(yùn)系數(shù)就降到新經(jīng)典理論預(yù)言的值理論預(yù)言的值溫度分布變陡。溫度分布變陡。 自洽平衡的結(jié)果自洽平衡的結(jié)果，就使得電子溫度梯度保持在，就使得電子溫度梯度保持

11、在閾值閾值附近而呈現(xiàn)某種不變性。雖然附近而呈現(xiàn)某種不變性。雖然線性理論線性理論求求得的得的etg模模的的不穩(wěn)定閾值不穩(wěn)定閾值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很接近，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很接近，但但理論計(jì)算理論計(jì)算和和數(shù)值模擬數(shù)值模擬得到的得到的etg模引起的模引起的輸輸運(yùn)系數(shù)運(yùn)系數(shù)都遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值。因此，理論仍然都遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值。因此，理論仍然不能定量解釋并預(yù)見(jiàn)電子溫度分布的剖面不變不能定量解釋并預(yù)見(jiàn)電子溫度分布的剖面不變性這種自組織現(xiàn)象。性這種自組織現(xiàn)象。 15 textor off axis ecrhone can see that the space configuration of the “ears” chan

12、ges in time.-0.4-0.20.00.20.40.00.40.81.21.6 45+ ms after ecrh on 0ms 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0textor,#97223 off-axis ecrhte ,kevecrhcoldresonansr-r0,m電子溫度分布的剖面可變性電子溫度分布的剖面可變性16in t-10 in different regimes we see strong te peaks, “ears”, in the vicinity of rational surfaces-15-10-5051015200.00.51.01.52.02

13、.53.03.54.04.5m=1.5?m=1?off axis ecrh 39469oh 39467tekev tsr, cmip=180ka; b=2.33t; =2 1019cm-3 17using, multi-channel sxr we can find m=1 island position. we see that island maximum coincides with te minm=1 fluctuations -15-10-5051015-0.15-0.10-0.050.000.050.100.15rs40698isxr fluct (i(t)-imean)r, cm

14、-20-15-10-5051015200.00.51.01.52.02.53.03.5rstekev tsr(cm) 40698 5 point smoothi =250ka; b =2.5 t: e=2 1019m-3 on axis ecrh the “ears” exists on the outer side of mhd island m/n=1/1in other words te has minimum inside the island18三、三、輸運(yùn)壘輸運(yùn)壘磁約束等離子體中的自組織磁約束等離子體中的自組織現(xiàn)象現(xiàn)象 磁約束等離子體磁約束等離子體是一個(gè)非平衡態(tài)多體系統(tǒng)是一個(gè)非平衡

15、態(tài)多體系統(tǒng) 磁約束等離子體磁約束等離子體是一個(gè)自由度十分巨大、具有豐富的是一個(gè)自由度十分巨大、具有豐富的集體運(yùn)動(dòng)模式的復(fù)雜系統(tǒng)集體運(yùn)動(dòng)模式的復(fù)雜系統(tǒng) 磁約束等離子體中磁約束等離子體中存在豐富的非線性的力學(xué)和電磁效存在豐富的非線性的力學(xué)和電磁效應(yīng)應(yīng) 磁約束等離子體中磁約束等離子體中觀察到眾多觀察到眾多自自組織物理現(xiàn)象組織物理現(xiàn)象, ,這些現(xiàn)這些現(xiàn)象都可看作是非線性力學(xué)系統(tǒng)中的自組織現(xiàn)象在磁約象都可看作是非線性力學(xué)系統(tǒng)中的自組織現(xiàn)象在磁約束等離子體中的具體表現(xiàn)，具有很重要的普遍意義，束等離子體中的具體表現(xiàn)，具有很重要的普遍意義，同時(shí)又很典型，內(nèi)容很豐富同時(shí)又很典型，內(nèi)容很豐富 有豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有豐

16、富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), ,但通過(guò)對(duì)資料和數(shù)據(jù)的分析去探索但通過(guò)對(duì)資料和數(shù)據(jù)的分析去探索其背后的深層次的物理機(jī)理的工作，亟待發(fā)展其背后的深層次的物理機(jī)理的工作，亟待發(fā)展 191，高（高（h h）模）模( (邊緣輸運(yùn)壘邊緣輸運(yùn)壘 ) )輸運(yùn)壘形成的物理機(jī)制：輸運(yùn)壘形成的物理機(jī)制：剪切流抑制湍性輸運(yùn)，剪切流抑制湍性輸運(yùn)，剪切流的產(chǎn)生機(jī)制？剪切流的產(chǎn)生機(jī)制？剪切流與剪切流與h-h-模的功率模的功率閾值的關(guān)系？閾值的關(guān)系？功率閾值定標(biāo)功率閾值定標(biāo)縱場(chǎng)方向：縱場(chǎng)方向：ion -drift -point ion -drift -point 8 . 045.096. 02106nbspml4321cccnbscp b

17、xh98(y,2)aug: negative er well observed at etb, increases with confinement improvement - coincides with h-mode barrier gradient - doppler reflectometry202,2,內(nèi)部輸運(yùn)壘內(nèi)部輸運(yùn)壘(itb)(itb) 內(nèi)部輸運(yùn)壘內(nèi)部輸運(yùn)壘的產(chǎn)生機(jī)理也是不清楚的，其產(chǎn)生的產(chǎn)生機(jī)理也是不清楚的，其產(chǎn)生的位置也是不可預(yù)見(jiàn)的的位置也是不可預(yù)見(jiàn)的 21 實(shí)驗(yàn)似乎表明，對(duì)磁約束等離子體系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)似乎表明，對(duì)磁約束等離子體系統(tǒng)，存在多個(gè)存在多個(gè)準(zhǔn)平衡態(tài)準(zhǔn)平衡態(tài)，在一定的條

18、件下，在一定的條件下，系統(tǒng)可以在各個(gè)態(tài)之間過(guò)渡。系統(tǒng)可以在各個(gè)態(tài)之間過(guò)渡。找到各種找到各種可能的準(zhǔn)平衡態(tài)并探索系統(tǒng)在其間轉(zhuǎn)換可能的準(zhǔn)平衡態(tài)并探索系統(tǒng)在其間轉(zhuǎn)換的條件或幾率，的條件或幾率，是該領(lǐng)域的一個(gè)重要課是該領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。題。22(1）輸運(yùn)壘與磁場(chǎng)位形的關(guān)系：輸運(yùn)壘與磁場(chǎng)位形的關(guān)系：itbitb往往在低往往在低q q有有理面附近形成理面附近形成23jet: itb forms when qmin exists and approaches (rather than reaches) an integer value te at various major radii, r, showi

19、ng formation of an itb itb formation starts before q=2 surface enters plasmaitb formation slightly ahead of alfvn cascades (marking qmin= integer)case numbertac-titb (s)pulse no: 61347time (s)te (kev)start of itb formationqmin reaches 2 alfvn cascades seen simultaneously on microwave interferometer,

20、 o-mode interferometer, x-mode reflectometer and magnetic probe24motivation: access power to the itb regime (iter)low positive shearreversed central sheariter25(2）輸運(yùn)壘與mhd活性的關(guān)系： (a) 鋸齒振蕩觸發(fā)h-模，降低閾值功率 (b) itb的形成往往伴隨著mhd不穩(wěn)定性的發(fā)展。 26itbs coincide with mhd activitiescorrelation between edge mhd and itb eme

21、rgence(monotonic q-profiles, itbs linked with q=2 or q=3 radius)27e. joffrin et al., ppcf 2002h-mode workshop, san diego, 26-28 sept 03a. bcoulet28 29 磁約束聚變等離子體磁約束聚變等離子體是研究磁場(chǎng)重聯(lián)的好環(huán)境是研究磁場(chǎng)重聯(lián)的好環(huán)境 問(wèn)題：?jiǎn)栴}：撕裂模撕裂模引起的引起的磁島結(jié)構(gòu)磁島結(jié)構(gòu)使等離子體內(nèi)部使等離子體內(nèi)部區(qū)域的磁力線與外部區(qū)域的磁力線（磁場(chǎng)）重區(qū)域的磁力線與外部區(qū)域的磁力線（磁場(chǎng)）重聯(lián)。這就使重聯(lián)區(qū)域的溫度分布變平（沿磁力聯(lián)。這就使重聯(lián)區(qū)域的溫度分布變平（沿磁力線溫度近似為常數(shù)）而等離子體約束應(yīng)變壞。線溫度近似為常數(shù)）而等離子體約束應(yīng)變壞。但是，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定的條件下，在