第二屆國際原子能機構(gòu)球形環(huán)技術(shù)委員會會議暨第七屆國際球形環(huán)會議課件

1-3August,2001,SaoJosedosCampos,SP,Brazil

JointMeetingofthe2ndIAEATCMonsphericaltoriandthe7thInternationalSphericalTorusWorkshop

第二屆國際原子能機構(gòu)球形環(huán)技術(shù)委員會會議暨第七屆國際球形環(huán)會議

巴西圣何塞

2001年8月1-3日SUNISTNationalInstituteofSpaceResearch1.會議概況

與會實驗室及代表UNISTSUNIST主辦單位： 國際原子能機構(gòu)物理處 Schneider,Ursula東道主單位： 巴西國家空間研究所等離子體實驗室(LAP，INPE）（ETE） Andrade,M. Barbosa,L. Barroso,L. Berni,L. Castro,P. DelBosco,E. Ferrira,J. Kostov,K. LeiteNeto,J. Ludwig,G. Oliveira,R. PatireJunior,H. Rossi,J. Shibata,C. Vilela,W.參加單位： 巴西圣保羅大學(xué)物理研究所

Elfimov,A. Vannucci,A. 巴西坎培納斯大學(xué)物理研究所

Daltrini,A. Machida,M. Monteiro,M. 巴西科學(xué)計算國家實驗室應(yīng)用數(shù)學(xué)部

Grishanov,N. Nekrasov,F. 美普林斯頓大學(xué)等離子體物理實驗室（NSTX）

Bell,M. Bourdelle,C. Ono,M. Peng,M. Raman,R.

2.會議概況

與會實驗室及代表UNISTSUNIST 美威斯康星大學(xué)-麥迪遜工程物理系（PEGASUS）

Gersta,G. 美華盛頓州立大學(xué)空間和能量研究（HITII） Redd,A 美麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)和聚變中心

Bers,A. Ram,A. 英卡拉姆科學(xué)中心（MAST）

Cunningham,G. Gryaznevich,M. Riberiro,C. 俄約飛技術(shù)物理研究所（GLOBUS-M）

Gusev,V. Petrov,Y. Shaharov,N. 日東京大學(xué)前沿科學(xué)和科學(xué)研究生院（TST2/3）

Takase,M. 東京大學(xué)高溫等離子體中心*、電工程系（TS3/4）

Katsurai,M. *Ono,Y. Tsuruda,M.3.會議概況

與會實驗室及代表UNISTSUNIST 意大利CR-ENEA，CP65，F(xiàn)RASCATI（PROTO-SPHERA） Alladio,F. Mancuso,A. Micozzi,P. 烏克蘭核研究院科學(xué)中心

Marchenko,V. 烏克蘭哈爾科夫物理和技術(shù)研究院國家科學(xué)中心等離子體物理所

Krupnik,L. 埃及核研究中心等離子體和核聚變部

Khalil,S.

清華大學(xué)工程物理系（SUNIST）

Gao,Z. He,Y. 共：18個單位，50名代表。4.會議概況

與會代表UNISTSUNIST5.會議概況 論文分布情況UNISTSUNIST裝置概況 8篇 包括：兩個兆安等離子體電流的大裝置，MAST和NSTX；其余裝置規(guī)模類似，GLOBUS-M、TST2、ETE、PEGASUS，和正在建設(shè)中的SUNIST裝置；還有一超高的球形托卡馬克實驗裝置，TS3/4。實驗 5篇 分別介紹了GLOBUS-M歐姆放電、HIT-II同軸螺旋注入/歐姆放電、NSTS的同軸螺旋注入、MAST的彈丸注入、和球形托卡馬克的邊界輸運。診斷 5篇 除了NSTX、GLOBUS-M、ETE三個裝置診斷的綜合介紹外，還報告了將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機系統(tǒng)用于托卡馬克大破裂控制的設(shè)想和重離子束探針。新概念 2篇 一篇報告了TS-4 的反場位形轉(zhuǎn)換，另一篇是關(guān)于高功率電子回旋注入源—MONOTRON研制的。6.會議概況 論文分布情況UNISTSUNIST理論方面有波、平衡和穩(wěn)定性三個專題。波理論 4篇 包括了阿爾芬波、電子波恩斯坦波、電子朗道阻尼引起的波耗散、介電張量與射頻波耗散四個內(nèi)容。平衡 3篇 分別介紹了PROTO-SPHERA的位形、ETE的靴帶電流和任意環(huán)徑比RELAXED緊湊環(huán)的特征值。穩(wěn)定性 5篇 包括：PROTO-SPHERA的理想MHD模、高b球形托卡馬克的魚骨不穩(wěn)定性、束驅(qū)動不穩(wěn)定性、NSTX的微觀穩(wěn)定性和高b電磁漂移不穩(wěn)定性。 最后還分別報告了MAST和NSTX的研究計劃。共34篇報告。均采取口頭報告的方式，同時也各自張貼了大字報，以便交流。7.

UNISTSUNIST球形托卡馬克實驗進展 從這次會議情況看，經(jīng)過多年的醞釀、努力，除我們的SUNIST裝置外，世界上的大大小小的球形托卡馬克裝置均已于這兩年陸續(xù)投入了實驗，開始進入了收獲的季節(jié)。投入運行的裝置有的尚處于較為初期的階段，有的剛一開始實驗就聲勢很大，但總要經(jīng)歷一個診斷、輔助加熱、裝置運行的功率水平的完善及循序漸進的增長過程。過程的長短與實驗室的經(jīng)驗、資金與人力的投入都有密切的關(guān)系。裝置可分為兩類，一是兩臺大裝置：普林斯頓的NSTX和卡拉姆的MAST，他們是確認球形托卡馬克根本優(yōu)點的驗證裝置。由于這兩個實驗室長期從事聚變等離子體的研究工作，在等離子體物理和聚變裝置工程上都有硬、軟兩方面的豐富積累，所以他們可以有條件很快進入角色、取得多方面的成果。其余的裝置與SUNIST具有類似的等離子體尺寸，但在相關(guān)系統(tǒng)和等離子體參數(shù)方面，卻有較大的差異。這類裝置中，等離子體電流指標接近500kA的有GLOBUS-M（俄羅斯約飛所），兩百千安以上的有ETE（巴西空間所等離子體實驗室）、PEGASUS（美威斯康星大學(xué)），接近兩百千安的是TST-2（日東京大學(xué)）。SUNIST的最終目標在100kA以上。另有兩個裝置的實驗室沒有參加本次會議，一是LATE（日京都大學(xué)），二是澳大利亞的ROTAMAK。這些單位中，約飛所的經(jīng)驗和基礎(chǔ)最為老到；另一專業(yè)研究所是巴西的等離子體實驗室，本次會議的東道主單位，此所涉及等離子體物理的基礎(chǔ)研究時間較長，但ETE是他們的第一個涉及聚變等離子體的實驗裝置，該單位在這臺裝置上的各方面投入給人留下十分深刻的印象，雖是新兵，但不容小視。8.

UNISTSUNIST球形托卡馬克實驗進展

最引人注目的是兩臺兆安等離子體電流的大型裝置，均于1999年調(diào)試，今年開始投入實驗。至今，診斷和中性粒子注入等輔助加熱的功率都在逐步地增加、完善。本次會議他們報告的實驗結(jié)果主要是：MAST 輔助加熱功率是觸發(fā)H模（高約束模式）的重要的但并非唯一的因素，H模有時被鋸齒振蕩和環(huán)電壓下降所觸發(fā)。在H模時，偏濾器外靶板的功率負荷降低。電流在800kA以下，等離子體密度可超過Greenwald極限，在H模情況，G達0.7。IRE（內(nèi)部磁重聯(lián)）有關(guān)于q95面的演化及垂直不穩(wěn)定性，與離子的高能尾巴的關(guān)系及高能粒子對穩(wěn)定性的貢獻正在研究中。NSTX 在輔助加熱功率增加后（4MW的HHFW和NBI），環(huán)向比壓由0.3%增加到22%、等離子體內(nèi)能提高到170kJ、約束時間上升到100毫秒（中性注入H模等離子體）、等離子體電流平頂達到了200毫秒（1MA）。同時也觀察到了非H模的能量約束改善（tE加倍），其征為：峰化的等離子體溫度分布等。在HHFW加熱時明顯的電子加熱使電子溫度從200提高到4000電子伏。同時也注意到了粒子高能的分量（40keV左右）對不穩(wěn)定性有影響。利用26kA的同軸螺旋電流注入實現(xiàn)了360kA的無感等離子體電流，電流倍增率達14，使得無感放電的實驗提上日程。實驗中還觀察大量的其他有趣現(xiàn)象。9.

UNISTSUNIST球形托卡馬克實驗進展 不僅這兩個大裝置，凡在本會報告過使用了現(xiàn)場硼化的所有裝置都從中得到了極大的好處，包括：減少了雜質(zhì)含量（NSTX中減少了O、Cu）有效降低Vs數(shù)的消耗、改善了放電的重復(fù)性和可控制性、儲能增加、脈沖拉長….這使得深受等離子體不老實之苦的裝置-PEGASUS也急于要利用這一有效的壁處理措施去改善他們的放電。 俄羅斯的約飛技術(shù)物理研究所是聚變研究的老所，有不少富有新意的思想。但也由于此，該所在托卡馬克裝置的主流研究方面缺乏相應(yīng)的表現(xiàn)。在球形托卡馬克研究的隊伍中，其實力極強。裝置規(guī)模雖小于英、美兩家，但應(yīng)有條件做出類似的研究內(nèi)容，裝置各方面的配備也十分完備，總體規(guī)模列第三。

GLOBUS-M剛投入運行，本次會議報告了裝置的基本放電情況。該裝置采用電網(wǎng)、120MW晶閘管整流（已達50MW）的電源方案，按目前投入的電源水平已獲得了250kA等離子體電流（半指標）。真空室處理：2000C的烘烤（8小時）、輝光放電（2A、110-3torr）及硼化（使密度增加數(shù)倍、降低Vs數(shù)消耗），限制器采用摻鈦為主的復(fù)合石墨材料。優(yōu)化后的通量消耗效率達3kA/mVs。逃逸電子能量達2MeV，已近最大。已觀察到放電形成條件（電流及密度的上升率）對等離子體的磁流體不穩(wěn)定性有影響，IRE出現(xiàn)前在軟X線信號上有變化。該裝置的診斷、加熱及電源正在逐步投入。10.

UNISTSUNIST球形托卡馬克實驗進展

與GLOBUS-M的裝置配置相當?shù)倪€有巴西國家空間中心等離子體實驗室的ETE。該所在聚變等離子體實驗方面雖與美、英、俄三家有較大的差距。但其全力以赴的投入、與有經(jīng)驗的實驗室的密切的國際合作，使他們有可能做出較為出色的工作。會議過程中，參觀了ETE裝置實驗室，他們的裝置給與會代表留下了十分深刻的印象，包括PPPL、CULHAM和約飛的代表。裝置的設(shè)計和工藝都十分考究，唯一的有可能出問題的地方是加熱場中心螺管，它的固定僅依靠它與環(huán)向場的絕緣材料固化，相對于環(huán)向場及其接頭和整個裝置的固定要薄弱的多。真空抽氣機組選用了1500升/秒的巴爾采司的渦輪分子泵和VAT的250口徑的插板閥，僅此兩項就約占了我們經(jīng)費的三分之一（但前級機組僅有4m3/h的抽速，實在不適合聚變實驗裝置的使用要求）。加熱及診斷的配備具有大專業(yè)實驗室的規(guī)格，美、日等大學(xué)實驗室也難以相比。巴西國內(nèi)有關(guān)單位的合作也十分密切，波的物理工作基本由前蘇聯(lián)的一些等離子體研究單位的人在做。 該裝置的建造始于1995，2000年底獲得首次等離子體?，F(xiàn)在的實驗集中在等離子體的形成、真空室處理和診斷的投入方面。首輪運行達到的等離子體電流為200千安（設(shè)計值的一半），環(huán)向場千高斯（設(shè)計值的一半）。環(huán)向場電容器儲能128kJ(1.13MJ)、極向場160kJ(1MJ)、垂直場76kJ(150kJ)。真空室設(shè)計烘烤溫度為2000C，但目前因未包絕熱材料僅達約750C。放電時真空室渦流約60千安。擊穿較佳氣壓為2

10-4mbar，采用熱燈絲予電離，連續(xù)充氫，無予電離時擊穿場強為2.5V/cm。擊穿場強及延時雖環(huán)向場上升而變好，最短延時為半毫秒。等離子體存在向上的垂直運動。sponsoredby:

11.

UNISTSUNIST球形托卡馬克實驗進展

相比專業(yè)研究單位，大學(xué)的球形托卡馬克研究顯示了不同的特點。一般都有一些獨特之處，在某一方面有著深入研究的可能。但在裝置的綜合配置方面，在總體體現(xiàn)等離子體參數(shù)及推進研究工作方面，是比不上專業(yè)實驗室的。 東京大學(xué)的TST-2報告了較多的波吸收、耦合方面的內(nèi)容。在電子回旋頻率的電產(chǎn)生方面，效率強有關(guān)于充氣壓力，可達1kA/kW；小功率HHFW實驗表明（加熱功率1kW、頻率25MHz），這一加熱可望產(chǎn)生高密度、高溫度及高的高能分量的等離子體。同時波與等離子體的強耦合對天線的匹配有很強的影響，當在天線前引入一限制器后，情況大為改觀。 該裝置的一特別之處是安排了一組磁探針，進入等離子體（r~0.6）以研究球形托卡馬克所特有的IRE現(xiàn)象。初步研究提示，這一現(xiàn)象與多螺旋模有關(guān)。另，似乎是在真空條件改善后IRE現(xiàn)象得到了改善。 該實驗室有扎實的等離子體物理和實驗基礎(chǔ)，雖沒有在診斷和輔助加熱方面的全面投入，但他們會在實驗的基礎(chǔ)上做出較有影響的等離子體物理結(jié)果。 華盛頓大學(xué)的HIT-II的主要特色在同軸螺旋注入方面，利用CHI和加熱場達到了200kA電流。在長期研究和自己裝置實驗的基礎(chǔ)上，他們參加了NSTX的CHI實驗，并已取得了重要的結(jié)果，對等離子體的無感應(yīng)啟動做出了重要的貢獻。12.

UNISTSUNIST球形托卡馬克實驗進展 在大學(xué)球形托卡馬克中，威斯康星大學(xué)的PEGASUS是配置最為齊全的一個。裝置很有特點，環(huán)徑比可以在很大范圍內(nèi)變化，同時加熱場中心螺管也可以提供較為充足的磁通變化，等離子體電流在200千安以上，輔助加熱較齊全，診斷也有較完整的配置。該校介入聚變等離子體的研究也時間挺長。目前在很低的環(huán)徑比，利用極低環(huán)向場（700高斯）實現(xiàn)了大于100千安的穩(wěn)定放電、IP/IROD（環(huán)向場利用率）超過1.2、歸一化電流達5、環(huán)向b達25%且無b極限出現(xiàn)的跡象、密度達到了Greenward極限、約束遵循ITER98定標。等離子體啟動的特征包括：高電流上升率（15-45MA/s），低內(nèi)感和大拉長。等離子體電流的演化時常受到MHD不穩(wěn)定性的限制，觀察到在q=2磁面上的m=2的模在電子逆磁方向旋轉(zhuǎn)。 相比以上實驗室和裝置，SUNIST的起點顯得低了一些，各方面的條件均有待完備。目前這個裝置唯一令人感興趣的是其環(huán)向和角向的電絕緣割縫，有的實驗室考慮過電絕緣的方案（威斯康星大學(xué)），也有試過的（東京大學(xué)），終因技術(shù)上的困難和問題而放棄了。技術(shù)上成功的話，除了降低Vs消耗外，還會有很大的潛在優(yōu)勢，提供給我們極有利的進行等離子體物理研究的實驗平臺。但如果要抓住這個機會，就必須在裝置和實驗室建設(shè)同時從硬件和軟件兩個方面盡快地提高。13.

UNISTSUNIST球形托卡馬克的診斷系統(tǒng) 完善的球形托卡馬克診斷系統(tǒng)應(yīng)全面準確地反映等離子體溫度、密度、及它們的時空分布和漲落，等離子體的位置和形狀，等離子體中的雜質(zhì)含量及狀態(tài)變化，極向場的分布及擾動，波的傳播和激發(fā)等過程。一般，只有專業(yè)實驗室才能分階段地達到這樣的配置；大學(xué)實驗室大多在最基本的診斷外，再發(fā)展個別符合自己裝置和研究特點的專項診斷；向完善診斷系統(tǒng)這一方向努力的也只有威斯康星，但這也得利于在美國這樣的普遍的聚變研究發(fā)達條件。除硬件外，還要包括大量的處理和嚙合軟件才能從測量信號中得到所需要的物理量。 會議報告的完善診斷系統(tǒng)典型地包括：電磁探針 等離子體電流及位置形狀（并用于實時反饋控制）、環(huán)電壓、MHD不穩(wěn)定性、等離子體內(nèi)能（逆磁信號）。GLOBUS-M也采用了傳統(tǒng)的鞍形探針測量水平位移。等離子體密度采用微波或遠紅外激光干涉儀、微波反射儀，紅寶石或YAG激光散射儀得到等離子體密度的時空分布，可用激光小角度散射得到密度的漲落。等離子體溫度采用紅寶石或YAG激光散射得到電子溫度的時空分布，利用軟X線能譜得到電子溫度（速度分布）；利用中性粒子交換或譜線的多普勒展寬得到離子溫度（速度分布）。光譜診斷 可見、紫外、真空紫外，得到原料氣體及雜質(zhì)狀態(tài)及運行狀況信息。軟X線陣列相關(guān)與軟X激發(fā)的各種等離子體特性信息，特別是穩(wěn)定性等。粒子束探針邊界等離子體密度及漲落，等離子體極向場（電流密度分布）等。高速CCD照相直觀的放電演化、等離子體邊緣與限制器、偏濾器等的相互作用。靜電探針得到邊界等離子體的溫度、密度及它們的漲落信息。總輻射、硬X線等離子體總輻射功率，逃逸電子及等離子體與限制器的相互作用。專項診斷波的傳播、耦合，不同波的模式轉(zhuǎn)化等。14.

UNISTSUNIST卡拉姆的MAST

15.

UNISTSUNIST普林斯頓大學(xué)等離子體實驗室的NSTX

16.

UNISTSUNIST約飛技術(shù)物理所GLOBUS-M 裝置及真空室內(nèi)部

17.

UNISTSUNIST威斯康星大學(xué)PEGASUS

18.

UNISTSUNIST東京大學(xué)TST-2及前真空室環(huán)向絕緣的TST-M

19.

UNISTSUNISTTST-2

20.

UNISTSUNIST華盛頓大學(xué)HIT-II

21.

UNISTSUNIST弗拉斯卡蒂PROTO-SPHERA（球馬克-建設(shè)中）

22.

UNISTSUNISTETE裝置

23.

UNISTSUNISTETE裝置的支撐結(jié)構(gòu) 中心柱固定盤及支桿1

24.

UNISTSUNISTETE裝置的支撐結(jié)構(gòu) 中心柱固定盤及支桿2

25.

UNISTSUNISTETE裝置真空系統(tǒng)

26.

UNISTSUNISTETE裝置真空室內(nèi)

27.

UNISTSUNISTETE裝置的電磁探針和烘烤帶

28.

UNISTSUNISTETE裝置的加熱場電容器（7千伏）和開關(guān)（引燃管）

29.射頻波理論（RF）UNISTSUNIST共有4篇文章：1.Elfimov,A.G.(Univ.ofSP)介紹了一個兩維計算模型。用多組分磁流體力學(xué)方程，在任意截面下計算ST中離子回旋頻段(ICRF)的阿爾芬波(AW)的特征模波譜，波激勵和耗散。初步的計算結(jié)果表明和環(huán)向模的耦合將導(dǎo)致廣域本征阿爾芬波GAW的能量耗散；2.Ram,A.K.(MIT)討論了ST中的電子波恩斯坦波。原來的研究表明通過O?；騒模向電子波恩斯坦波(EBW)的轉(zhuǎn)換，ECRF的射頻波可以用來加熱等離子體。從raytracinganalysis可以看出EBW在包括多普勒頻移的電子回旋共振區(qū)及其諧波區(qū)被強烈吸收，能量沉積位置非常局域化。對于O?；騒模轉(zhuǎn)化的頻率和波長不同，X模在更長平行波長和更低的頻率轉(zhuǎn)化為EBW；30.射頻波理論（RF）UNISTSUNIST3.Grishanov，N.I.(LNCCofBrazil)用漂移動理方程推導(dǎo)了射頻波作用下的介電張量的縱向元。模型考慮了二維軸對稱等離子體，橢圓截面，任意拉長比和任意環(huán)徑比，無碰撞，區(qū)別不同俘獲軌道，但沒有漂移效應(yīng)和FLR。介電張量縱向元素用來研究在Alfven，快磁聲波，和下雜化波RF波頻段內(nèi)RF通過電子朗道阻尼(electronLandaudamping)耗散的機制；4.Nekrasov，F(xiàn).M.(LNCCofBrazil)通過解析求解Vlasov方程，得到簡化的RF作用下介電張量。31.射頻波理論（RF）UNISTSUNIST普遍而言，1.RF電流驅(qū)動和對等離子體加熱的重要性2.從這次會議的文章看，除MIT的一篇外，基本上是由前蘇聯(lián)的一些等離子體研究單位的人在做，基本是基于多組分磁流體力學(xué)方程（MHD）或者線性Vlasov＋Maxwell方程做的機理性研究，主要探討波在等離子體中的如何耗散問題。3.和實際的實驗差距；非線形；其他可能機制32.平衡（Equilibrium）UNISTSUNIST共有3篇文章Andrade,M.C.(INPE)使用適合不同參數(shù)區(qū)的不同電流模型（H-S/Shaing,Sauter,non-collosionlHirshman)對ST中自洽平衡計算的影響做了研究，結(jié)果表明ETE中自舉電流