HT托卡馬克歐姆放電時的電子熱輸運分析

1、HT-7托卡馬克歐姆放電時的電子熱輸運分析博士研究生：張 先 梅博士導(dǎo)師：萬 寶 年主 要 內(nèi) 容一、引言 研究熱輸運的意義、方法和研究狀況二、HT-7裝置上電子能量平衡分析各能量項的實驗分析結(jié)果；電子熱擴散系數(shù)e的分布、與等離子體參數(shù)的關(guān) 系;壁處理前后e的行為，以及與理論模型的比較。三、HT-7裝置上自舉電流的研究四、總結(jié)和展望一、引言 （1）研究熱輸運的意義等離子體約束與反常輸運的關(guān)系在20世紀80年代初，隨著托卡馬克實驗研究的深入，發(fā)現(xiàn)等離子體約束主要受反常輸運的制約，反常輸運是實現(xiàn)托卡馬克聚變的一個主要障礙。輸運與約束息息相關(guān)。人們近似地給出總體能量約束時間E 與e 的關(guān)系式 ： 2

2、、輻射損失對聚變的影響 輻射損失是電子能量平衡方程中一個重要組成部分。雜質(zhì)對主等離子體的影響主要有兩方面：第一，輻射能量并影響等離子體中參數(shù)的空間分布以及等離子體的總體能量約束時間，使約束等離子體很難達到收支平衡；第二，使工作元素的離子密度稀釋，從而影響聚變反應(yīng)功率密度。雜質(zhì)輻射與約束模式的關(guān)系雜質(zhì)輻射與等離子體密度的關(guān)系3、聚變實現(xiàn)的條件在聚變研究中，一個非常有意義三乘積：neTeE。要想達到點火條件必須滿足：過去的30年三乘積neTeE 的變化情況。在過去的20年，DIII-D得到的好約束模式的變化情況。由于輻射、反常輸運等能量損失，使該點火條件很難滿足。引言 （2）研究熱輸運的方法分析全

3、局量E、內(nèi)能W定標；從實驗角度分析局部輸運系數(shù)D，e ，i 與等離子體宏觀參數(shù)的關(guān)系；由理論模型得到D，e ，i , E，解輸運方程，計算出等離子體參數(shù)如密度、溫度等，與實驗值作比較。局部熱輸運的實驗研究研究方法熱流平衡分析(Power Balance)調(diào)制輸運分析（Modulated Transport) 其方法是利用輸運方程中含時間變量項，通過調(diào)制源項，在實驗上測量與時間有關(guān)的一項。目前產(chǎn)生調(diào)制源項的主要方法有：自身產(chǎn)生的鋸齒熱脈沖傳播用ECRH 產(chǎn)生局部能量擾動彈丸注入來調(diào)制溫度epb、ehp比較 裝置 ehp / epbASDEX 3 (鋸齒:ST) DIII-D 1 (ECRH) D

4、ITE 1 (ECRH)FTU 1.52.2 (ST)ISX-B 1 (ST) JET 2.5 (ST) JT-60U 2-4 (ST) RTP 2-4 (ST,ECRH) TEXT 2.25 (ST) TFTR 1-10 (ST) TORE SUPER 2.5-3.5 (ST) W7-AS 1-1.5 (ECRH) 引言（3）輸運研究基礎(chǔ)的發(fā)展加熱和電流驅(qū)動的發(fā)展等離子體加料技術(shù)的發(fā)展壁處理技術(shù)的發(fā)展實驗診斷的發(fā)展計算機能力的發(fā)展引言（4）約束模式及實驗研究情況約束模式對輸運的改變對漲落的影響H-mode8889邊界輸運壘形成，e, e和De 降低，H2。等離子體邊界漲落被抑制，中心的相關(guān)長

5、度減小。雜質(zhì)模如 RI-mode90等在NBI時，e和De 降低，H1.8。磁場漲落降低，密度漲落沒有變化。PEP模25e比Alcator定標小三倍，i降到新經(jīng)典值。不是很清楚。熱離子模：Supershot91e, i和降低，e 降低最多，H2。密度漲落緩慢增大，相關(guān)長度降低。VHmode92邊界輸運壘加寬，e, i和De 降低。密度漲落消失。高-modes93高-mode：H23高Hmode: H=3.6磁場漲落降低高li模94H3，有的H li不清楚。反剪切模(RS)95H2.5密度漲落抑制提高的反剪切模(ERS)96內(nèi)部輸運壘的形成，i和De是新經(jīng)典值，e降低。等離子體中心漲落被抑制。二

6、、HT-7 托卡馬克電子能量平衡分析 PoH : 歐姆輸入功率Prad : 輻射損失Pcond : 熱傳導(dǎo)損失Pconv : 熱對流損失Pei : 電子轉(zhuǎn)移給離子的能量：Spitzer 或新經(jīng)典電阻率ei : 電子和離子碰撞頻率(1)(2)(3)(4)(5)能量平衡分析所需的實驗診斷Te 由 ECE測量；ne由5道遠紅外干涉儀測量，經(jīng)Abel變換得到其分布；Ti 是10道中性粒子能譜儀測量；分布認為與Te相同；輻射損失用16道Bolometer測量，經(jīng)Abel變換得到其分布；Zeff 由4道韌致輻射測量；Ip 和 Vf 用線圈測量；雜質(zhì)的弦平均輻射強度由轉(zhuǎn)鏡測量，經(jīng)Abel變換得到其體發(fā)射系數(shù)

7、分布。歐姆功率的計算Zeff取常數(shù)。輻射損失 隨等離子體中心弦平均密度、電流的變化隨密度的變化 （Ip=130KA, Bt = 1.8T）O-硅化后50炮以內(nèi)的值，-硅化后放電250炮后的值，-硅化前的值。 隨放電電流的變化( ， Bt=1.84T） o-硅化后的值， *-硼化后的值。 一般認為，De=Dim, ve=vim。我們用雜質(zhì)輸運程序擬合實驗測量的雜質(zhì)離子體發(fā)射系數(shù)。熱對流損失計算（1）以典型炮號34258#的0.4s 時刻為例(Ne (0)1.51013/cm3，Ip=140kA）熱對流損失計算（2）擬合結(jié)果擬合OV體發(fā)射系數(shù)的峰值擬合CIII體發(fā)射系數(shù)的峰值熱對流損失計算（3）+

8、-PoH o- Pconv 100電子各能量損失項占總歐姆輸入功率比例熱輸運項(主要是傳導(dǎo)項）占64左右；輻射損失約占20；與離子碰撞轉(zhuǎn)移給離子的約16。e的分布及誤差分析（1）假設(shè)環(huán)電壓5的誤差， Zeff 有20的誤差，密度有10的誤差，溫度有10的誤差 時計算的結(jié)果。其中1/2 a處約為25。通過改變各參量誤差大小，結(jié)果發(fā)現(xiàn)e對電子溫度的誤差最敏感。在同一炮放電的平頂段，e值也比較平穩(wěn)。e的分布及誤差分析（2）不同的離子溫度分布對e的分布影響不大。e的分布及誤差分析（3）硅化前后e行為的比較硅化后, e主要在r0.5a區(qū)域內(nèi)降低。硼化前后e行為的比較硼化后， e在整個等離子體內(nèi)均降低。e

9、 (r=0.5a) 隨 Ne(0) 的增大而降低 (Ip=140kA, Bt=1.8T) (Ne(0) =1.0, Bt=1.84T)e (r=0.5a) 隨Ip的增大而增大e (r=0.5a) 隨 Bt 的增大而降低e與歐姆情況下的定標比較INTOR 定標Merezhkin 定標 Coppi-Mazzucato定標 能量約束時間隨 Ne(0) 和 Ip的變化能量約束時間實驗值與忽略輻射損失后由經(jīng)驗公式 估算值的比較。 （ -為實驗數(shù)據(jù)計算的的值，o-由 估算的值） e與新經(jīng)典理論模型的比較 反常輸運目前提出的主要原因及模型 漂移波不穩(wěn)定性 靜電漂移波模型在低條件下，磁場擾動B10，這時的漂移

10、波是靜電型 ；包括通行粒子的漂移不穩(wěn)定性和捕獲粒子不穩(wěn)定性 。 電磁漂移波模型一般地，當 時電磁漂移波比較重要起來；如Horton 電磁漂移波模型，Parail電磁漂移波模型等。 磁擾動引起的不穩(wěn)定性比較大的徑向磁擾動使磁場結(jié)構(gòu)的破壞，引起比較大的橫向輸運；模式主要有：微撕裂模、電阻性壓強梯度模(氣球模) 等。硅化前e與理論模型的比較等離子體中心比較符合Horton 電磁漂移波模型： e 在邊界比較符合 Parail 電磁漂移波 模型： e 硅化后e與理論模型的比較在等離子體中心 仍然比較符合Horton模；在r0.5a 區(qū)域， Waltz靜電漂移波比較符合實驗值。 e硼化后e與理論模型的比較

11、在 r0.5a范圍內(nèi)降低；硼化后e值在整個區(qū)域內(nèi)均降低。6. HT-7裝置上e值比INTOR定標值小，數(shù)值大小與Merezhkin定標和Coppi-Merezhin定標差不多，但比兩個定標更依賴于密度。7. 能量約束時間在所研究參數(shù)范圍內(nèi)隨密度的增大而增大，與等離子體放電電流的關(guān)系不明顯。8. 在r0.5a區(qū)域內(nèi)，硅化前符合Parail電磁漂移波模型，硅化后，符合Waltz 靜電漂移波模型。硼化后在r0.8a區(qū)域內(nèi)，均比較符合Horton模型。自舉電流分布形狀來看：硅化和硼化后，等離子體參數(shù)分布在中心變寬，靠近邊界的壓力梯度變大，自舉電流的分布峰值靠近邊界。自舉電流分布占總電流分布來看：到邊界

12、，壁處理后比未做任何壁處理前自舉電流成分大，即壁處理后，靠近邊界，自舉電流分布對等離子體電流分布貢獻較大。自舉電流積分占總實驗放電電流比例來看：壁處理后，HT7裝置上的自舉電流占總放電電流的比例有增大的現(xiàn)象，壁處理前，不超過總電流的5，但硼化和硅化后達到10以上。由于邊界處對應(yīng)的半徑大，從而對面積分的貢獻大，即自舉電流比例的增大主要是來自等離子體邊界的貢獻?？偨Y(jié) （2）對HT-7裝置自舉電流進行估算，得到了比較滿意的結(jié)果。4. 自舉電流成分與等離子體壓強梯度關(guān)系密切，梯度越大，自舉電流成分越大。 本論文是從實驗數(shù)據(jù)的分析來研究自舉電流的，確切的研究需要結(jié)合輸運程序，才能給出完美、自洽的結(jié)論。但

13、這些實驗結(jié)論為以后更深入地研究HT7、HT7U裝置自舉電流提供了基礎(chǔ)。 1、盡可能地擴大研究的實驗參數(shù)范圍；2、研究輔助加熱情況下的熱輸運；3、開發(fā)輸運程序，與實驗研究相互補充，進一步對HT -7裝置熱輸運進行分析、理解。 研究磁約束裝置的熱輸運，是比較復(fù)雜而艱巨的任務(wù)，例如電子熱擴散系數(shù)的定標，需要處理大量實驗數(shù)據(jù)，且其它參數(shù)不變的情況下才能考察它與某一個參數(shù)的定量關(guān)系，但是參數(shù)之間是相互影響的，很難實現(xiàn)各個量獨立變化。輸運的研究需要從理論、實驗以及計算模擬上同時進行，才能給出系統(tǒng)的比較準確的結(jié)論，這需要巨大的財力和人力。希望更多的科研工作者加入輸運研究的隊伍來推動輸運研究的發(fā)展、推動我們核

14、聚變事業(yè)的發(fā)展！ 展 望博士期間發(fā)表的文章1. 張先梅等, 計算物理, 16, (1999) 606。2. Zhang Xianmei, et al., Plasma science and Technology, 2, (2000)295.3. Zhang Xianmei, et al., 1st IAEA TCM/AFERST, Chengdu, China, Oct.30Nov.3, (2000)D4.4. 張先梅等, 物理學(xué)報，50, (2001) 715.5. Zhang Xianmei, et al., Chinese Physics Letters, 18，(2001) 1090

15、.6. Wan Baonian, Zhang Xianmei, et al., Nucl. Fusion, 39, (1999)1865.7. J.S. Mao, J.Y. Zhao, X.M. Zhang, et al., 2000 International Conference on Plasma Physics (ICPP) Oct. 23,2000, Quebec City, Canada.8. X. Gao, X. M. Zhang, et al., Plasma Phys. Contr. Fusion, 41, (1999)1349.9. X. Gao, X. M. Zhang,

16、 et al. , J. Nucl. Mater., 279, (2000)330. 10. X. Gao, X. M. Zhang, et al., Nuclear Fusion, 40, (2000)1875.11. 11. J. S. Mao, X.M .Zhang, et al., Nucl. Fusion, 已接收致 謝首先衷心感謝的是我的導(dǎo)師萬寶年研究員。本論文工作是在他的悉心指導(dǎo)和嚴格要求下完成的。是他引導(dǎo)著我從熟悉該課題的基礎(chǔ)知識開始，一步步深入地做下去。每次遇到問題請教他時，萬老師總能分析得清晰簡潔，并把相關(guān)知識融會貫通，加深我的理解、擴展我的知識面。萬老師扎實的物理基礎(chǔ)、敏銳的洞察力、嚴謹?shù)目蒲凶黠L(fēng)以及對事業(yè)的執(zhí)著和獻身精神將對我以后的學(xué)習(xí)和工作產(chǎn)生巨大影響。感謝毛劍珊研究員平時對我學(xué)習(xí)和工作的關(guān)心和鼓勵，尤其在論文撰寫過程中提出了許多寶貴的意見。感謝張澄研究員、俞國揚研究員以及王少杰研究員曾在百忙中抽出時間為我解答問題。曾多次請教過趙君煜、吳振偉兩位老師有關(guān)裝置的問題，在此表示感謝。感謝那些為H