托卡馬克等離子體約束與輸運(yùn)研究

托卡馬克等離子體約束與輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)研究中國(guó)科技大學(xué)俞昌旋輸運(yùn)研究現(xiàn)狀

“ANewInitiativeinTransportSciences”(TTF,USA,2004)內(nèi)容綱要電子熱輸運(yùn)粒子和雜質(zhì)輸運(yùn)動(dòng)量輸運(yùn)H模和Pedestal物理輸運(yùn)定標(biāo)律電子熱輸運(yùn)

--研究的重要性在ITER燃燒等離子體中,粒子將優(yōu)先加熱電子,然后通過(guò)碰撞加熱離子，因而電子熱輸運(yùn)是決定聚變堆性能的一個(gè)關(guān)鍵因素束的臨界能量電子熱輸運(yùn)

--現(xiàn)狀(1)在離子加熱為主的ITB內(nèi)，離子熱輸運(yùn)己降到新經(jīng)典輸運(yùn)水平，但仍大于新經(jīng)典值，且其機(jī)理不清TFTRJT-60U芯部主要的湍流模湍流驅(qū)動(dòng)的輸運(yùn)通量

非對(duì)角項(xiàng)產(chǎn)生Pinch效應(yīng)

I類:ITG，ETGII類:簡(jiǎn)化的湍流輸運(yùn)模型

III類:微撕裂模，電流擴(kuò)散氣球模

I-III類:TIM，TEM研究現(xiàn)狀(2)

--電子溫度分布剖面不變性這表明約束區(qū)的電子溫度梯度標(biāo)長(zhǎng)是常數(shù),與實(shí)驗(yàn)條件無(wú)關(guān);它暗示電子熱輸運(yùn)是由具有閾值的不穩(wěn)定性驅(qū)動(dòng)的。(PPCF,43,A323(2001))研究現(xiàn)狀(3)

--純電子加熱實(shí)驗(yàn)(L模,)ASDEX-U低密度純電子加熱實(shí)驗(yàn)

存在臨界溫度梯度

隨變化規(guī)律與經(jīng)驗(yàn)的輸運(yùn)模型—致JET,FTU,ToreSupra等也存在臨界梯度研究現(xiàn)狀(3)

--低密度純電子加熱實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)輸運(yùn)模型實(shí)驗(yàn)值可用具有閾值的經(jīng)驗(yàn)輸運(yùn)模型擬合

(PPCF,43,1503(2001);NF,43,1396(2003);PPCF,46,1351(2004))

指數(shù)是可調(diào)參數(shù),當(dāng)比較不同裝置的數(shù)據(jù)時(shí)可選定適當(dāng)值,它被選定后,熱擴(kuò)散系數(shù)就用三個(gè)無(wú)量綱量表征:本底擴(kuò)散率因子,stiffness因子和閾值。其中是Heaviside函數(shù),當(dāng)自變量小于零時(shí)它等于零,反之它等于1。功率平衡與熱脈沖輸運(yùn)系數(shù)功率平衡脈沖調(diào)制研究現(xiàn)狀(3)

--低密度純電子加熱實(shí)驗(yàn)利用線性回旋動(dòng)力學(xué)程序GS2計(jì)算

ASDEX-U上ECH實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:在熱電子等離子體,TEM

模是主要的不穩(wěn)定性。碰撞對(duì)模擬結(jié)果有重要影響,與TEM模特性定性符合。計(jì)算假定A.G.Peetersetal.,PoP12,022505無(wú)碰撞考慮碰撞研究現(xiàn)狀(3)

--低密度純電子加熱實(shí)驗(yàn)TCV數(shù)據(jù)表明:，它與理論預(yù)言(Peeters,POP11,022505;Jenko,PPCF47,B195)定性符合。但其它裝置上的結(jié)果不能支持這個(gè)結(jié)論，在范圍內(nèi)，。研究現(xiàn)狀(3)

--低密度純電子加熱實(shí)驗(yàn)存在臨界溫度梯度的實(shí)驗(yàn)證據(jù)降低歐姆熱通量,使小于臨界值溫度比研究現(xiàn)狀(3)

--低密度純電子加熱實(shí)驗(yàn)比值表明，熱輸運(yùn)主要是由ITG模驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)表明碰撞對(duì)TEM有致穩(wěn)作用，它與TEM模理論預(yù)言定性符合研究現(xiàn)狀(4)

--ToreSupra上SWEH實(shí)驗(yàn)在每個(gè)徑向位置,值近似相等,而

值不同,它表明臨界梯度與及無(wú)關(guān)。研究現(xiàn)狀(4)

--ToreSupra上SWEH實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與電磁ETG

模預(yù)言定性符合用下式計(jì)算的閾值研究現(xiàn)狀(5)

--磁漲落驅(qū)動(dòng)的熱輸運(yùn)ToreSupra研究現(xiàn)狀(6)

--TFTR上短波長(zhǎng)漲落的觀察在等離子體坐標(biāo)系上,模是在離子逆磁漂移方向傳播。該漲落特征與CDBM(電流擴(kuò)散氣球模)的色散關(guān)系類似。2.53.03.5sK.L.Wongetal.,PLA236,339研究現(xiàn)狀(7)

--純電子內(nèi)部輸運(yùn)壘()形成條件:負(fù)磁剪切，以及Shafranov

位移。輸運(yùn)壘強(qiáng)度對(duì)負(fù)磁剪切強(qiáng)度及的變化很靈敏。在e-ITB內(nèi)，值下降至，但仍大于新經(jīng)典值;TEM模被抑制，ETG?？赡苁遣环€(wěn)定的。e-ITB形成和對(duì)其影響，以及湍流輸運(yùn)機(jī)制不清aabbcc研究現(xiàn)狀(8)

--溫度比為的輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)這類實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少ITG、TEM和ETG?？赡軐?duì)都有貢獻(xiàn)由于和分布不同，不穩(wěn)定性模存在的區(qū)域可能不同當(dāng)密度較高時(shí)，存在與離子熱輸運(yùn)的耦合，使情況更復(fù)雜實(shí)驗(yàn)表明電子溫度剖面仍存在不變性這類實(shí)驗(yàn)研究對(duì)燃燒等離子體(電子加熱為主，電子與離子熱輸運(yùn)強(qiáng)耦合)中電子熱輸運(yùn)研究有重要意義電子熱輸運(yùn)

--小結(jié)及問(wèn)題電子熱輸運(yùn)的基本特征電子溫度分布具有不變性電子熱輸運(yùn)存在臨界電子溫度梯度?

負(fù)磁剪切是e-ITB形成的必要條件?

在ITB內(nèi)值下降，但仍大于新經(jīng)典值?不同的湍流模已用于分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并取得部分成功，但分析結(jié)果不一致缺乏漲落測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，理論預(yù)言的TEM和ETG湍流模特征未得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)缺乏與ITER等離子體條件相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(特別是時(shí)i-ITB和e-ITB同時(shí)形成與維持)電子熱輸運(yùn)

--對(duì)實(shí)驗(yàn)研究的建議純電子加熱下電子熱輸運(yùn)特性研究關(guān)鍵是如何區(qū)分不同湍流模的作用與電子熱輸運(yùn)有關(guān)的湍流模測(cè)量是重要的表征湍流模特征及其與輸運(yùn)的關(guān)系建議發(fā)展切向Thonson相干散射系統(tǒng)其空間分辨好，可用于測(cè)量寬的波數(shù)范圍

()需要測(cè)量大波數(shù)漲落譜

---ANewInitiativeinTransportSciences發(fā)展新的診斷系統(tǒng),測(cè)量的漲落測(cè)量譜的各向異性

streamers:

對(duì)于

zonalflows:對(duì)于測(cè)量徑向波數(shù)譜(當(dāng)時(shí)),是否擴(kuò)展到尺度?測(cè)量張落與通量的徑向相關(guān)長(zhǎng)度的差別?是雪崩還是streamers?測(cè)量波數(shù)譜衰減冪指數(shù)?是級(jí)聯(lián)還是局域源?粒子輸運(yùn)

--研究的重要性ITER性能與密度分布相關(guān)自舉電流與密度分布相關(guān)

在現(xiàn)有的大多數(shù)托卡馬克裝置上都觀察到密度峰化，其峰化機(jī)理是什么?ITER密度會(huì)峰化嗎?它會(huì)伴隨著雜質(zhì)密度的峰化嗎?From“ITERTechnicalBasis”粒子輸運(yùn)基礎(chǔ)連續(xù)性方程輸運(yùn)通量無(wú)源平衡時(shí)峰化因子準(zhǔn)中性要求存在反常輸運(yùn)粒子反常PinchWarePinch:由于環(huán)向電場(chǎng)對(duì)捕獲粒子的軌道的影響,使所有的捕獲粒子都以徑向速度向磁軸漂移，故有:在感應(yīng)驅(qū)動(dòng)的托卡馬克放電中，，使粒子輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果出現(xiàn)矛盾的結(jié)論，如有的實(shí)驗(yàn)[JET:NF43,1829;ASDEX-U:NF43,1264]發(fā)現(xiàn)，;而有些高密度實(shí)驗(yàn)[JET:PPCF46,751;DIII-D:NF40,1003]發(fā)現(xiàn)，所觀測(cè)的密度分布的峰化不能僅用WarePinch解釋。觀察粒子反常Pinch的實(shí)驗(yàn)條件:完全非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)，且驅(qū)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)于電阻擴(kuò)散時(shí)間。粒子反常Pinch

--實(shí)驗(yàn)證據(jù)

ToreSupra完全LHCD放電:電子密度分布峰化維持4min(大約為80倍電阻擴(kuò)散時(shí)間)，它表明存在粒子反常Pinch，且

TCV完全ECCD放電實(shí)驗(yàn)，也得到類似的結(jié)果粒子反常Pinch

--與磁場(chǎng)梯度的關(guān)系在某些實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，密度峰化對(duì)磁場(chǎng)梯度很靈感

ToreSupra完全LHCD放電[PRL93,135003]

弱碰撞等離子體

TCV,JET和DIII-D上也觀察到類似的結(jié)果粒子反常Pinch

--與溫度梯度的關(guān)系(1)ToreSupra完全LHCD放電()

在芯區(qū)，溫度梯度驅(qū)動(dòng)密度向內(nèi)Pinch粒子反常Pinch

--與溫度梯度的關(guān)系(2)ToreSupra完全LHCD放電()在梯度區(qū)，溫度梯度驅(qū)動(dòng)密度向外Pinch在ASDEX-U上也觀測(cè)到類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果溫度梯度驅(qū)動(dòng)密Pinch

方向不同，表明它們的驅(qū)動(dòng)機(jī)制不同粒子反常Pinch

--與粒子碰撞速率的關(guān)系(1)ASDEX-UH模等離子體[PRL90,205003]

密度峰化隨有效碰撞頻率的增大而減弱，它不能用WarePinch解釋

粒子反常Pinch

--與粒子碰撞頻率的關(guān)系(2)JETH模等離子體[NF45,L1]:密度峰化隨增大而減弱，且不隨變化(除之外)

粒子反常Pinch

--與粒子碰撞頻率的關(guān)系(3)JETL模等離子體[NF45,L1]:

離軸LHCD()，無(wú)芯區(qū)粒子源

密度隨等離子體內(nèi)感的增大而增大，而與碰撞頻率無(wú)關(guān)，與H

模的結(jié)果相反當(dāng)環(huán)電壓為零時(shí),密度分布仍峰化,與TCV及

ToreSupra結(jié)果一致粒子反常Pinch

--可能的機(jī)制TurbulenceEquipartition，亦稱曲率Pinch:

它是磁場(chǎng)非均勻性引起的捕獲粒子的漂移速度的壓縮，產(chǎn)生粒子向內(nèi)Pinch，其速度正比于，碰撞效應(yīng)將使曲率Pinch減弱TurbulenceThermodiffusion:

它是由于冷粒子擴(kuò)散比熱粒子快而引起的速度Pinch，其速度正比于，Pinch方向取決于湍流模當(dāng)WarePinch可忽略時(shí)，比可表示為粒子反常Pinch

--小結(jié)與問(wèn)題實(shí)驗(yàn)普遍表明存在反常Pinch，它對(duì)密度峰化有重要影響反常Pinch的機(jī)理還不完全清楚熱擴(kuò)散和曲率Pinch對(duì)反常Pinch的相對(duì)貢獻(xiàn)?

什么因素決定熱擴(kuò)散的方向?為什么?

碰撞、磁剪切和磁面幾何(形狀)的影響?為什么?

密度輸運(yùn)壘的形成機(jī)制?H模和L模密度峰化與的關(guān)系不同的機(jī)制?

密度分布控制的方法?

粒子輸運(yùn)與密度極限的關(guān)系?雜質(zhì)輸運(yùn)

--研究的重要性在許多托卡馬克實(shí)驗(yàn)中，均己觀測(cè)到雜質(zhì)密度分布比主離子(氫及其同位素)密度更峰化，此稱為雜質(zhì)聚積現(xiàn)象(ImpurityAccumulation)雜質(zhì)聚積對(duì)ITER燃燒等離子體的不利影響

稀釋燃料離子，降低聚變功率增加輻射損失

誘發(fā)輻射不穩(wěn)定性研究雜質(zhì)聚積機(jī)理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)雜質(zhì)密度分布的有效控制雜質(zhì)輸運(yùn)

--新經(jīng)典輸運(yùn)新經(jīng)典輸運(yùn)通量的符號(hào)取決于主離子和雜質(zhì)的碰撞狀態(tài)，在現(xiàn)有大中型托卡馬克和ITER的參數(shù)范圍內(nèi)，它為負(fù)值，這表明峰化的離子溫度分布將驅(qū)動(dòng)向外Pinch，稱為溫度屏蔽效應(yīng)。溫度屏蔽的有效性可用比值表征，當(dāng)值增大時(shí)，其值從-0.2變到-0.5雜質(zhì)峰化因子大致有:雜質(zhì)輸運(yùn)

--歐姆、L和H模時(shí)雜質(zhì)擴(kuò)散有效擴(kuò)散系數(shù)一般是反常的但的分布有些不同JETH模C-Mod雜質(zhì)輸運(yùn)

--ITB中雜質(zhì)擴(kuò)散有效擴(kuò)散系數(shù)在ITB內(nèi)(within/inside)大致降至新經(jīng)典值(略大或略小)JT-60UTFTR雜質(zhì)輸運(yùn)

--主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總N:新經(jīng)典;A:反常;WA:弱反常摘自

PPCF48,B63雜質(zhì)輸運(yùn)

--RF加熱對(duì)雜質(zhì)峰化的影響(1)RF加熱可避免中、高Z雜質(zhì)在ITB內(nèi)的峰化DIII-DQDB(9MWNBI+2MWECH)ASDEXH模離軸加熱:ECRH使反常擴(kuò)散增強(qiáng)，向內(nèi)Pinch減弱;ICRF使向內(nèi)Pinch增強(qiáng)雜質(zhì)輸運(yùn)

--RF加熱對(duì)雜質(zhì)峰化的影響(2)JETELMyH模:ICRH加熱離子加熱(MH)引起Ni向內(nèi)Pinch電子加熱(MC)引起Ni向外PinchNivNiMH雜質(zhì)輸運(yùn)

--可能的湍流Pinch機(jī)測(cè)曲率Pinch:由漂移速度的壓縮所產(chǎn)生的Pinch效應(yīng)，它與雜質(zhì)的電荷(Z)和質(zhì)量(A)無(wú)關(guān)，Pinch方向是向內(nèi)的熱擴(kuò)散Pinch:由逆磁漂移速度的壓縮所產(chǎn)生的Pinch效應(yīng)，它與成正比，Pinch方向