托卡马克等离子体约束与输运研究

托卡马克等离子体约束与输运实验研究中国科技大学俞昌旋输运研究现状

“ANewInitiativeinTransportSciences”(TTF,USA,2004)内容纲要电子热输运粒子和杂质输运动量输运H模和Pedestal物理输运定标律电子热输运

--研究的重要性在ITER燃烧等离子体中,粒子将优先加热电子,然后通过碰撞加热离子，因而电子热输运是决定聚变堆性能的一个关键因素束的临界能量电子热输运

--现状(1)在离子加热为主的ITB内，离子热输运己降到新经典输运水平，但仍大于新经典值，且其机理不清TFTRJT-60U芯部主要的湍流模湍流驱动的输运通量

非对角项产生Pinch效应

I类:ITG，ETGII类:简化的湍流输运模型

III类:微撕裂模，电流扩散气球模

I-III类:TIM，TEM研究现状(2)

--电子温度分布剖面不变性这表明约束区的电子温度梯度标长是常数,与实验条件无关;它暗示电子热输运是由具有阈值的不稳定性驱动的。(PPCF,43,A323(2001))研究现状(3)

--纯电子加热实验(L模,)ASDEX-U低密度纯电子加热实验

存在临界温度梯度

随变化规律与经验的输运模型—致JET,FTU,ToreSupra等也存在临界梯度研究现状(3)

--低密度纯电子加热实验经验输运模型实验值可用具有阈值的经验输运模型拟合

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

指数是可调参数,当比较不同装置的数据时可选定适当值,它被选定后,热扩散系数就用三个无量纲量表征:本底扩散率因子,stiffness因子和阈值。其中是Heaviside函数,当自变量小于零时它等于零,反之它等于1。功率平衡与热脉冲输运系数功率平衡脉冲调制研究现状(3)

--低密度纯电子加热实验利用线性回旋动力学程序GS2计算

ASDEX-U上ECH实验,结果表明:在热电子等离子体,TEM

模是主要的不稳定性。碰撞对模拟结果有重要影响,与TEM模特性定性符合。计算假定A.G.Peetersetal.,PoP12,022505无碰撞考虑碰撞研究现状(3)

--低密度纯电子加热实验TCV数据表明:，它与理论预言(Peeters,POP11,022505;Jenko,PPCF47,B195)定性符合。但其它装置上的结果不能支持这个结论，在范围内，。研究现状(3)

--低密度纯电子加热实验存在临界温度梯度的实验证据降低欧姆热通量,使小于临界值温度比研究现状(3)

--低密度纯电子加热实验比值表明，热输运主要是由ITG模驱动的实验表明碰撞对TEM有致稳作用，它与TEM模理论预言定性符合研究现状(4)

--ToreSupra上SWEH实验在每个径向位置,值近似相等,而

值不同,它表明临界梯度与及无关。研究现状(4)

--ToreSupra上SWEH实验实验结果与电磁ETG

模预言定性符合用下式计算的阈值研究现状(5)

--磁涨落驱动的热输运ToreSupra研究现状(6)

--TFTR上短波长涨落的观察在等离子体坐标系上,模是在离子逆磁漂移方向传播。该涨落特征与CDBM(电流扩散气球模)的色散关系类似。2.53.03.5sK.L.Wongetal.,PLA236,339研究现状(7)

--纯电子内部输运垒()形成条件:负磁剪切，以及Shafranov

位移。输运垒强度对负磁剪切强度及的变化很灵敏。在e-ITB内，值下降至，但仍大于新经典值;TEM模被抑制，ETG模可能是不稳定的。e-ITB形成和对其影响，以及湍流输运机制不清aabbcc研究现状(8)

--温度比为的输运实验这类实验数据较少ITG、TEM和ETG模可能对都有贡献由于和分布不同，不稳定性模存在的区域可能不同当密度较高时，存在与离子热输运的耦合，使情况更复杂实验表明电子温度剖面仍存在不变性这类实验研究对燃烧等离子体(电子加热为主，电子与离子热输运强耦合)中电子热输运研究有重要意义电子热输运

--小结及问题电子热输运的基本特征电子温度分布具有不变性电子热输运存在临界电子温度梯度?

负磁剪切是e-ITB形成的必要条件?

在ITB内值下降，但仍大于新经典值?不同的湍流模已用于分析实验结果，并取得部分成功，但分析结果不一致缺乏涨落测量的实验数据，理论预言的TEM和ETG湍流模特征未得到实验证实缺乏与ITER等离子体条件相关的实验数据(特别是时i-ITB和e-ITB同时形成与维持)电子热输运

--对实验研究的建议纯电子加热下电子热输运特性研究关键是如何区分不同湍流模的作用与电子热输运有关的湍流模测量是重要的表征湍流模特征及其与输运的关系建议发展切向Thonson相干散射系统其空间分辨好，可用于测量宽的波数范围

()需要测量大波数涨落谱

---ANewInitiativeinTransportSciences发展新的诊断系统,测量的涨落测量谱的各向异性

streamers:

对于

zonalflows:对于测量径向波数谱(当时),是否扩展到尺度?测量张落与通量的径向相关长度的差别?是雪崩还是streamers?测量波数谱衰减幂指数?是级联还是局域源?粒子输运

--研究的重要性ITER性能与密度分布相关自举电流与密度分布相关

在现有的大多数托卡马克装置上都观察到密度峰化，其峰化机理是什么?ITER密度会峰化吗?它会伴随着杂质密度的峰化吗?From“ITERTechnicalBasis”粒子输运基础连续性方程输运通量无源平衡时峰化因子准中性要求存在反常输运粒子反常PinchWarePinch:由于环向电场对捕获粒子的轨道的影响,使所有的捕获粒子都以径向速度向磁轴漂移，故有:在感应驱动的托卡马克放电中，，使粒子输运实验的结果出现矛盾的结论，如有的实验[JET:NF43,1829;ASDEX-U:NF43,1264]发现，;而有些高密度实验[JET:PPCF46,751;DIII-D:NF40,1003]发现，所观测的密度分布的峰化不能仅用WarePinch解释。观察粒子反常Pinch的实验条件:完全非感应电流驱动，且驱动时间长于电阻扩散时间。粒子反常Pinch

--实验证据

ToreSupra完全LHCD放电:电子密度分布峰化维持4min(大约为80倍电阻扩散时间)，它表明存在粒子反常Pinch，且

TCV完全ECCD放电实验，也得到类似的结果粒子反常Pinch

--与磁场梯度的关系在某些实验中发现，密度峰化对磁场梯度很灵感

ToreSupra完全LHCD放电[PRL93,135003]

弱碰撞等离子体

TCV,JET和DIII-D上也观察到类似的结果粒子反常Pinch

--与温度梯度的关系(1)ToreSupra完全LHCD放电()

在芯区，温度梯度驱动密度向内Pinch粒子反常Pinch

--与温度梯度的关系(2)ToreSupra完全LHCD放电()在梯度区，温度梯度驱动密度向外Pinch在ASDEX-U上也观测到类似的实验结果温度梯度驱动密Pinch

方向不同，表明它们的驱动机制不同粒子反常Pinch

--与粒子碰撞速率的关系(1)ASDEX-UH模等离子体[PRL90,205003]

密度峰化随有效碰撞频率的增大而减弱，它不能用WarePinch解释

粒子反常Pinch

--与粒子碰撞频率的关系(2)JETH模等离子体[NF45,L1]:密度峰化随增大而减弱，且不随变化(除之外)

粒子反常Pinch

--与粒子碰撞频率的关系(3)JETL模等离子体[NF45,L1]:

离轴LHCD()，无芯区粒子源

密度随等离子体内感的增大而增大，而与碰撞频率无关，与H

模的结果相反当环电压为零时,密度分布仍峰化,与TCV及

ToreSupra结果一致粒子反常Pinch

--可能的机制TurbulenceEquipartition，亦称曲率Pinch:

它是磁场非均匀性引起的捕获粒子的漂移速度的压缩，产生粒子向内Pinch，其速度正比于，碰撞效应将使曲率Pinch减弱TurbulenceThermodiffusion:

它是由于冷粒子扩散比热粒子快而引起的速度Pinch，其速度正比于，Pinch方向取决于湍流模当WarePinch可忽略时，比可表示为粒子反常Pinch

--小结与问题实验普遍表明存在反常Pinch，它对密度峰化有重要影响反常Pinch的机理还不完全清楚热扩散和曲率Pinch对反常Pinch的相对贡献?

什么因素决定热扩散的方向?为什么?

碰撞、磁剪切和磁面几何(形状)的影响?为什么?

密度输运垒的形成机制?H模和L模密度峰化与的关系不同的机制?

密度分布控制的方法?

粒子输运与密度极限的关系?杂质输运

--研究的重要性在许多托卡马克实验中，均己观测到杂质密度分布比主离子(氢及其同位素)密度更峰化，此称为杂质聚积现象(ImpurityAccumulation)杂质聚积对ITER燃烧等离子体的不利影响

稀释燃料离子，降低聚变功率增加辐射损失

诱发辐射不稳定性研究杂质聚积机理，以实现对杂质密度分布的有效控制杂质输运

--新经典输运新经典输运通量的符号取决于主离子和杂质的碰撞状态，在现有大中型托卡马克和ITER的参数范围内，它为负值，这表明峰化的离子温度分布将驱动向外Pinch，称为温度屏蔽效应。温度屏蔽的有效性可用比值表征，当值增大时，其值从-0.2变到-0.5杂质峰化因子大致有:杂质输运

--欧姆、L和H模时杂质扩散有效扩散系数一般是反常的但的分布有些不同JETH模C-Mod杂质输运

--ITB中杂质扩散有效扩散系数在ITB内(within/inside)大致降至新经典值(略大或略小)JT-60UTFTR杂质输运

--主要实验结果汇总N:新经典;A:反常;WA:弱反常摘自

PPCF48,B63杂质输运

--RF加热对杂质峰化的影响(1)RF加热可避免中、高Z杂质在ITB内的峰化DIII-DQDB(9MWNBI+2MWECH)ASDEXH模离轴加热:ECRH使反常扩散增强，向内Pinch减弱;ICRF使向内Pinch增强杂质输运

--RF加热对杂质峰化的影响(2)JETELMyH模:ICRH加热离子加热(MH)引起Ni向内Pinch电子加热(MC)引起Ni向外PinchNivNiMH杂质输运

--可能的湍流Pinch机测曲率Pinch:由漂移速度的压缩所产生的Pinch效应，它与杂质的电荷(Z)和质量(A)无关，Pinch方向是向内的热扩散Pinch:由逆磁漂移速度的压缩所产生的Pinch效应，它与成正比，Pinch方向