波加热和电流驱动物理及其在先进运行模式中的应用

1、波加热和电流驱动物理波加热和电流驱动物理及其在先进运行模式中的应用及其在先进运行模式中的应用 万宝年2007年3月2 日合肥主要的加热和电流驱动手段主要的加热和电流驱动手段 电子回旋加热和电流驱动电子回旋加热和电流驱动 离子回旋加热和电流驱动离子回旋加热和电流驱动 低杂波加热和电流驱动低杂波加热和电流驱动 中性束加热和电流驱动中性束加热和电流驱动 对上述加热和电流驱动作为最有效的等离子体控制手段已对上述加热和电流驱动作为最有效的等离子体控制手段已经有了相当的理解和较好的模拟，也发展了一些关键等离经有了相当的理解和较好的模拟，也发展了一些关键等离子体参数（电流密度分布、压力分布）实时的数据处理手

2、子体参数（电流密度分布、压力分布）实时的数据处理手段和有效的控制方法，可以应用于稳态或段和有效的控制方法，可以应用于稳态或hybrid等离子体等离子体运行模式的主动控制。运行模式的主动控制。 下一步最重要的是如何发展新的等离子体运行模式或方法下一步最重要的是如何发展新的等离子体运行模式或方法进一步降低控制对辅助加热的要求。进一步降低控制对辅助加热的要求。新的等离子体运行模式新的等离子体运行模式 稳态或稳态或hybrid运行模式运行模式 （ lower *,） the size scaling of ITB formation and sustainment of ITBs at high pl

3、asma density, TiTe and slow toroidal rotation with prevention of impurity accumulation. fully integrated scenarios, i.e. scenarios that are also compatible with the partially-detached divertor condition steady state scenarios at relatively low density and high electron temperature to optimize the cu

4、rrent drive efficiencies. Alpha粒子加热及和波的相互作用、稳定性粒子加热及和波的相互作用、稳定性 优化加热和电流驱动优化加热和电流驱动辅助加热的功能辅助加热的功能 提供足够的加热功率达到提供足够的加热功率达到H-mode约束并进入燃约束并进入燃烧状态烧状态 控制和维持等离子体燃烧控制和维持等离子体燃烧 非感应电流驱动控制电流密度分布和实现稳态运非感应电流驱动控制电流密度分布和实现稳态运行行 控制控制MHD不稳定性不稳定性 辅助电流上升和等离子体辅助电流上升和等离子体“软着落软着落” 其它（等离子体旋转、壁处理）其它（等离子体旋转、壁处理） 任何单一的手段都不可能满

5、足要求任何单一的手段都不可能满足要求辅助加热的物理要求辅助加热的物理要求 芯部加热功率沉积（芯部加热功率沉积（ECRF，ICRF，NBI）通过芯部加热）通过芯部加热获得高约束等离子体。重点考虑锯齿的效应获得高约束等离子体。重点考虑锯齿的效应 电流驱动（电流驱动（ on-axis: ECRF，ICRF，NBI; off-axis: ECRF, LHRF）稳态运行：非感应驱动和自举电流；）稳态运行：非感应驱动和自举电流； 等离子体旋转（等离子体旋转（NBI，ICRF）改善约束，抑制）改善约束，抑制MHD不稳不稳定性定性 离子加热（离子加热（NBI，ICRF）在反应堆中，通过输运和辐射损）在反应堆中

6、，通过输运和辐射损失的电子能量大于与离子的碰撞损失的能量失的电子能量大于与离子的碰撞损失的能量 进一步发展需考虑到进一步发展需考虑到alpha粒子加热，不同加热手段间的粒子加热，不同加热手段间的协同效应，及与稳态、约束、稳定性和偏滤器等的自洽。协同效应，及与稳态、约束、稳定性和偏滤器等的自洽。ECRF基本特性基本特性 不存在耦合问题不存在耦合问题 吸收完全，功率沉积局部（波入射角、相对论效吸收完全，功率沉积局部（波入射角、相对论效应共振展宽、电子温度、波束）应共振展宽、电子温度、波束） 可近性：密度截止和涨落散射可近性：密度截止和涨落散射 高加热效率（与高加热效率（与NBI可比）可比） 电流驱

7、动效率随电子温度提高，但随小半径增大电流驱动效率随电子温度提高，但随小半径增大而下降（捕获电子份额增加）而下降（捕获电子份额增加） 电流驱动分布宽效率高电流驱动分布宽效率高模拟可以很好地与实验符合模拟可以很好地与实验符合ECRF应用应用 有效的电子加热和有效的电子加热和H模的获得模的获得 电流驱动：稳态运行和分布控制电流驱动：稳态运行和分布控制 控制锯齿、控制锯齿、ELMs、锁模、（新经典）撕裂、锁模、（新经典）撕裂模、某些破裂模、某些破裂 电子热输运研究电子热输运研究 等离子体启动等离子体启动 壁处理壁处理 主要问题是稳态高功率波源主要问题是稳态高功率波源Electron Internal

8、Transport BarriersObtained routinely with strong ECCD eITB operational control tools X2 ECCD power (3MW), location OH transformer (10kW, pure current source)Steep gradients of Te, ne Steady-state Vloop 0 Stationary conditions 100tE, 10 tCRT Can give rise to slow (10Hz), m=n=0 Te, Ip oscillations, co

9、upled to MHD activity, suppressed by adjusting the current profileTe keVne 1019 m-3Improved H-mode:(3,2) NTM suppression with ECCDq95=2.9 N 2.6H98(y,2) 1.2dc, W/(2d)=0.6- at low q95 Sq=1 criticaldW / (Sq=1 tA) w*I / 2Increase shear near q=1Sawteeth can destabilise Neoclassical Tearing Modes and degr

10、ade performancet=23sFast particle stabilised sawteeth destabilised with ICCD Large sawteeth created by ICRF accelerated fast particles Sawteeth destabilised subsequently, with the application of ICCD Magnetic shearPulse No: 58934Time (s)PRF (MW)Te0 (keV)r/aJ. ONGENA (EX/P6-9) FRI amF. PORCELLI(EX/7-

11、4RA)FRI amControl of core MHD (sawteeth) has been demonstrated by ICCD (JET)Core impurity peaking can be controlled with electron ICRF heatingEffect of Minority (ion) heating (MH) and Mode conversion (electron) heating (MC) on Ni transport in low n* ELMy H-modesDensity profilesMeasured convection co

12、efficient Ni accumulation is anomalous, and much lower with RF electron heating than with ion heating Profile flattening due to outward convection with electron heatingITER-like ICRH antenna will extend capabilityReversal of pinch with e-heating theoretically ascribed to effect of parallel velocity

13、fluctuations with R/LTe driven TEM modesNormalised Ni profileV (m/s)Neoclassical x105814458149r/ar/aC. GIROUD(EX/8-3)FRI pmM.E. PuiattiPoP(2006)LHF基本特性基本特性耦合：一般使用沿环向的波导阵列，天线对等离子体耦合的物理问题耦合：一般使用沿环向的波导阵列，天线对等离子体耦合的物理问题已很清楚，对在天线口激发的慢波向等离子体内传输存在截止密度，已很清楚，对在天线口激发的慢波向等离子体内传输存在截止密度，最佳耦合要求最佳耦合要求noptncN|2,长距离

14、耦合可通过两个途径实现：少量波功长距离耦合可通过两个途径实现：少量波功率沉积在天线端口附件或喷气补充密度。新发展的率沉积在天线端口附件或喷气补充密度。新发展的”PAM”天线适合天线适合于低密度下的耦合，于低密度下的耦合，”hot spot”问题问题波在等离子体中的传播：波的可近性（线性模转换）取决于密度和纵波在等离子体中的传播：波的可近性（线性模转换）取决于密度和纵场；场； N|的的upshift（环效应和磁场的螺旋结构）一方面改善可近性，（环效应和磁场的螺旋结构）一方面改善可近性，另一方面解释另一方面解释spectral gap；当波垂直相速度几倍于离子速度时，存在强烈的波粒相互作用。与当波

15、垂直相速度几倍于离子速度时，存在强烈的波粒相互作用。与N|和纵场无关，仅与频率和等离子体参数相关，需避免于高能粒子对和纵场无关，仅与频率和等离子体参数相关，需避免于高能粒子对波的强烈吸收。波的强烈吸收。很高的电流驱动效率，效率很高的电流驱动效率，效率12/(5+Zeff)，但是在较高的电子温，但是在较高的电子温度和低密度下，效率趋于饱和。（局部过驱动，产生反向环向电场）度和低密度下，效率趋于饱和。（局部过驱动，产生反向环向电场）现有的模拟在考虑了其它非共振吸收后可以很好地解释实验结果，特现有的模拟在考虑了其它非共振吸收后可以很好地解释实验结果，特别是电流驱动效率。下一步还需在动力学模拟中考虑相

16、对论效应。别是电流驱动效率。下一步还需在动力学模拟中考虑相对论效应。低杂波共振离子加热已基本不考虑低杂波共振离子加热已基本不考虑LHF应用应用 电流驱动，维持稳态运行最重要的手段（电流驱动，维持稳态运行最重要的手段（JT-60U:3.6MA, JET:3MA, TS:0.8MA，2mins) Off-axis电流驱动，符合电流驱动，符合RS稳态运行，产生并维稳态运行，产生并维持持ITB的高约束等离子体的高约束等离子体 实现实现H模等离子体模等离子体 电流密度分布控制可抑制电流密度分布控制可抑制m=1-2 模、控制锯齿、模、控制锯齿、在较大范围调节在较大范围调节li，（，（TS：N|反馈控制）反

17、馈控制） 辅助等离子体电流的建立（不仅节省伏秒，对超辅助等离子体电流的建立（不仅节省伏秒，对超导极向场非常重要）导极向场非常重要） 高频率下的稳态天线和传输高频率下的稳态天线和传输High power LHCDNeutron (x1010/s)ZeffTi(0) (keV)Line averaged density (x1019m-2)LHCD Power (MW)Transformer flux (Wb)Te(0) (keV) LHCD launcher zone ATS CIEL可满足可满足10MW功率的稳态运行功率的稳态运行LHCD电流密度分布控制电流密度分布控制调相和调功率调相和调功率

18、Optimising plasma performance reliability Fully NI long discharges prone to MHD activitySmall MHD free operating window (see Maget et al. EX/P8-21)RT current profile control: Actuator LHCD n/ Sensor HXR widthCombined with control of: Ip (LHCD power) Flux consumption (primary)Triple control at low lo

19、op voltage ( 10 mV) (see Joffrin et al., EX/1-6) #36133全RF、1GW高Q稳态平衡NBI物理及应用物理及应用 影响影响NBI加热和电流驱动最主要的几个过程：功加热和电流驱动最主要的几个过程：功率沉积分布取决于各种碰撞；快离子的慢化取决率沉积分布取决于各种碰撞；快离子的慢化取决于各种碰撞；快离子纹波损失和于各种碰撞；快离子纹波损失和TAE共振损失。共振损失。目前的理解已相当好。目前的理解已相当好。 对离子或电子加热（束能量），电流驱动（对离子或电子加热（束能量），电流驱动（2040kA/MW）等物理已有相当好的理解。）等物理已有相当好的理解。

20、 唯一的直接动量输入手段，产生等离子体旋转。唯一的直接动量输入手段，产生等离子体旋转。 最有效的加热和控制等离子体的手段。最有效的加热和控制等离子体的手段。H模、模、ITB、自举电流自举电流 Unexpected broadening of NBI driven currents- beyond a certain heating power, measured and predicted distributions of NBI driven currents deviate (MSE, TRANSP)- electric field changes cannot be explained

21、by current diffusion energetic particle diffusion driven by small-scale turbulence (gyrokinetic code) redistribution of injected ions with Dfast0.5 m2/s Gnter EX/6-1Switch on / off-axis at 4.1 sUL(V)4.2 s3.5-4.0 s4.3 s 4.4 s 4.5 s多种加热和电流驱动下的协同效应多种加热和电流驱动下的协同效应波与等离子体相互作用，包括各种波的激发、传播、辐射和波粒相互波与等离子体相互作用，包括各种波的激发、传播、辐射和波粒相互作用等过程，是获得和维持稳态先进托卡马克运行模式最重要的基础。作用等过程，是获得和维持稳态先进托卡马克运行模式最重要的基础。相应加热和驱动的物理机制已经基本清楚，但是目前还没有将电流驱相应加热和驱动的物理机制已经基本清楚，但是目前还没有将电流驱动和辅助加热计算与等离子体输运计算完全耦合起来。（动和辅助加热计算与等离子体输运计算完全耦合起来。（scenario prediction)实验中通常是多种加热手段的组合，各种驱动和加热机制间的相互作实验中通常是多种加热手段的组合，各种驱