国家自然基金申请项目介绍

1、国家自然基金申请项目介绍托卡马克高场侧高速氘冰丸注入实验研究杨 愚2001/02/23原申请项目名称：托卡马克高场侧高速氘冰丸注入实验研究 拟改为：托卡马克加料弹丸的消融粒子径向漂移机制实验研究 提纲：1摘要2立论依据2.1研究意义2.2国内外现状3研究方案2立论依据M N Rosenbluth 1998在 Physics fundamentals for ITER一文中列出聚变领域几个关键的物理研究重点如下：Transport and plasma confinement;Divertors, heat removal and fuelling;Macrostability.因为有众多机制限

2、制着芯部、边界及偏滤器等离子体的密度，仅由常规的加料方法无法满足ITER的运行要求。高密度ASDEX放电中NBI联合弹丸加料时电子源径向分布。1998 年DIII-D报道：在NBI加热时的电流平顶段通过弹丸注入提高密度提高密度，在保持H-mode (1.5倍ITER-89P)的同时，中心线平均电子密度最高超过Greenwald密度极限50%，达到了达到了ITER的运行要求的运行要求。弹丸注入加料技术已广泛地应用于大中型托卡马克装置上，取得了良好的实验效果。弹丸注入通过改变等离子体的参数及分布，还显著影响着输运和约束。在大部分托卡马克装置上都观察到了弹丸注入对能量约束的改善。JET、TFTR等装

3、置利用弹丸注入结合射频加热得到弱剪切乃至负剪切的电流分布，改善了约束改善了约束（PEP模）。DIII-D 一次平均密度超过Greenwald 极限30%并维持1秒钟以上的H模放电 无论是以加料为目的，还是以改善约束为目的，均要求弹丸注入到距等离子体中心尽可能近的位置。但是但是，依据已有的消融模型可以得出：若从低场区注入弹丸，实现聚变等离子体的芯部加料需要10km/s的高速弹丸，这和目前的注入器能达到的水平相去甚远。并且，实验观察到：弹丸加料分布ne(r)比其消融分布要浅。这大大降低了利用弹丸对聚变堆加料的优越性。这大大降低了利用弹丸对聚变堆加料的优越性。基于在低场弹丸注入实验中发现的消融粒子向

4、低场消融粒子向低场区的快速径向漂移区的快速径向漂移，高场弹丸注入高场弹丸注入被应用于JET、DIII-D、ASDEX-U，实验取得了很好的效果。 ne(r)分布更深，更好的加料效果； 改善能量约束的效果与低场注入可比。据预测：利用高场弹丸注入进行聚变堆芯部加料，其速度要求将不超过不超过2km/s，而这是目前成熟的弹丸注入技术可以达到的。 目前，仅有JET、ASDEX-U 、DIII-D 等世界一流装置开展了高场注入工作，这些装置利用高场弹丸注入，配合有效的芯部辅助加热，开展了关于输运垒物理输运垒物理、边界条件改变边界条件改变等丰富的专题实验。 AUG 的 HFS PI 研究 (1)运行区；中性

5、粒子对约束的影响；PI 触发的 ELM、NTM研究。AUG 的 HFS研究PI (2)DIII-D 的 HFS PI 研究 (1)ITBL-H 转变不同位置的 PI 均可触发L-H 转变，HFS PI 用于改变边界条件研究与ELM的关系。HFS PI + NBI类PEP的 ITB中心负剪切(NCS), 中心低剪切(LS)DIII-D 的 HFS PI 研究 (2)开展HFS PI 这项国际前沿研究的意义：1，大大提高HT-7的弹丸注入研究水平；2，为HT-7探索高参数、先进运行模式提供有力支持；3，为HT-7U装置的弹丸注入物理及工程设计提供可靠参考。 3研究方案发展高场垂直注入；研究消融粒子

6、在等离子体中的径向漂移。垂直注入的优点：速度更快；具有类 HFS PI 的优点。Tore Supra/DIII-D/AUG已经或正在发展。垂直注入 (1)因为装置结构的限制，目前高场内侧注入的速度被限制在240m/s以下。高场垂直注入的弹丸速度被限制在500m/s左右。HT-7现有弹丸注入器可提供1km/s的弹丸，而装置下充足的空间可以使弹丸传输管保持大曲率半径，保证弹丸完整注入等离子体。理论上，弹丸可以注入到任意位置，这为开创性地进行高场侧高速弹丸注入高场侧高速弹丸注入实验提供了必要条件。 垂直注入 (2)消融研究 (1)比较从不同注入位置注入弹丸得到的不同的加料效果，可以确认：消融粒子向外

7、漂移是根本的原因。然而这种机制尚不清楚，现有的解释有两种假设：一是消融粒子沿弯曲磁场运动，极化作用产生EB漂移；二是压强梯度驱动效应作用在消融粒子上的结果。尚无统一认识。尚无统一认识。消融研究 (2)弹丸的消融是个瞬时、局域瞬时、局域的过程，诊断难度大。空间尺度：各装置不一，10mm宽，长度决定于注入深度。时间时间尺度：全过程1ms。细致的弹丸研究一般使用Thomson Scattering和高速相机，这是我们尚不具备的。RTP 的弹丸注入研究另辟蹊径，值得借鉴。消融研究 (3)诊断条件：高时空分辨的H阵列。观察到了消融粒子的快速径向漂移。J. De Kloe, et al., Phys. R

8、ev. Lett. 82 (13),1998,2685消融研究 (4)Machine RTPHT-7ITER Major radiusR00.721.228.1MPlasma minor radiusA0.1640.282.8MPlasma currentIp150100-25021,000KAToroidal fieldBt2.42.55.7TDensity (center)Ne,00.5-140.5-62-10E19m-3Ohmic temperature (center)Te,01-514-10KeVPellet sizeRp0.6-0.80.5-1.5 MmPellet velocityVp11 Km/sI n j e c t i o n location LFS horizontalLFS horizontalHFS vertical A d d i t i o n a l heating&CD ECRHLHW, ICRH,ECR