第二届国际原子能机构球形环技术委员会会议暨第七届国际球形环会议课件

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

JointMeetingofthe2ndIAEATCMonsphericaltoriandthe7thInternationalSphericalTorusWorkshop

第二届国际原子能机构球形环技术委员会会议暨第七届国际球形环会议

巴西圣何塞

2001年8月1-3日SUNISTNationalInstituteofSpaceResearch1.会议概况

与会实验室及代表UNISTSUNIST主办单位： 国际原子能机构物理处 Schneider,Ursula东道主单位： 巴西国家空间研究所等离子体实验室(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.参加单位： 巴西圣保罗大学物理研究所

Elfimov,A. Vannucci,A. 巴西坎培纳斯大学物理研究所

Daltrini,A. Machida,M. Monteiro,M. 巴西科学计算国家实验室应用数学部

Grishanov,N. Nekrasov,F. 美普林斯顿大学等离子体物理实验室（NSTX）

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

2.会议概况

与会实验室及代表UNISTSUNIST 美威斯康星大学-麦迪逊工程物理系（PEGASUS）

Gersta,G. 美华盛顿州立大学空间和能量研究（HITII） Redd,A 美麻省理工学院等离子体科学和聚变中心

Bers,A. Ram,A. 英卡拉姆科学中心（MAST）

Cunningham,G. Gryaznevich,M. Riberiro,C. 俄约飞技术物理研究所（GLOBUS-M）

Gusev,V. Petrov,Y. Shaharov,N. 日东京大学前沿科学和科学研究生院（TST2/3）

Takase,M. 东京大学高温等离子体中心*、电工程系（TS3/4）

Katsurai,M. *Ono,Y. Tsuruda,M.3.会议概况

与会实验室及代表UNISTSUNIST 意大利CR-ENEA，CP65，FRASCATI（PROTO-SPHERA） Alladio,F. Mancuso,A. Micozzi,P. 乌克兰核研究院科学中心

Marchenko,V. 乌克兰哈尔科夫物理和技术研究院国家科学中心等离子体物理所

Krupnik,L. 埃及核研究中心等离子体和核聚变部

Khalil,S.

清华大学工程物理系（SUNIST）

Gao,Z. He,Y. 共：18个单位，50名代表。4.会议概况

与会代表UNISTSUNIST5.会议概况 论文分布情况UNISTSUNIST装置概况 8篇 包括：两个兆安等离子体电流的大装置，MAST和NSTX；其余装置规模类似，GLOBUS-M、TST2、ETE、PEGASUS，和正在建设中的SUNIST装置；还有一超高的球形托卡马克实验装置，TS3/4。实验 5篇 分别介绍了GLOBUS-M欧姆放电、HIT-II同轴螺旋注入/欧姆放电、NSTS的同轴螺旋注入、MAST的弹丸注入、和球形托卡马克的边界输运。诊断 5篇 除了NSTX、GLOBUS-M、ETE三个装置诊断的综合介绍外，还报告了将神经网络计算机系统用于托卡马克大破裂控制的设想和重离子束探针。新概念 2篇 一篇报告了TS-4 的反场位形转换，另一篇是关于高功率电子回旋注入源—MONOTRON研制的。6.会议概况 论文分布情况UNISTSUNIST理论方面有波、平衡和稳定性三个专题。波理论 4篇 包括了阿尔芬波、电子波恩斯坦波、电子朗道阻尼引起的波耗散、介电张量与射频波耗散四个内容。平衡 3篇 分别介绍了PROTO-SPHERA的位形、ETE的靴带电流和任意环径比RELAXED紧凑环的特征值。稳定性 5篇 包括：PROTO-SPHERA的理想MHD模、高b球形托卡马克的鱼骨不稳定性、束驱动不稳定性、NSTX的微观稳定性和高b电磁漂移不稳定性。 最后还分别报告了MAST和NSTX的研究计划。共34篇报告。均采取口头报告的方式，同时也各自张贴了大字报，以便交流。7.

UNISTSUNIST球形托卡马克实验进展 从这次会议情况看，经过多年的酝酿、努力，除我们的SUNIST装置外，世界上的大大小小的球形托卡马克装置均已于这两年陆续投入了实验，开始进入了收获的季节。投入运行的装置有的尚处于较为初期的阶段，有的刚一开始实验就声势很大，但总要经历一个诊断、辅助加热、装置运行的功率水平的完善及循序渐进的增长过程。过程的长短与实验室的经验、资金与人力的投入都有密切的关系。装置可分为两类，一是两台大装置：普林斯顿的NSTX和卡拉姆的MAST，他们是确认球形托卡马克根本优点的验证装置。由于这两个实验室长期从事聚变等离子体的研究工作，在等离子体物理和聚变装置工程上都有硬、软两方面的丰富积累，所以他们可以有条件很快进入角色、取得多方面的成果。其余的装置与SUNIST具有类似的等离子体尺寸，但在相关系统和等离子体参数方面，却有较大的差异。这类装置中，等离子体电流指标接近500kA的有GLOBUS-M（俄罗斯约飞所），两百千安以上的有ETE（巴西空间所等离子体实验室）、PEGASUS（美威斯康星大学），接近两百千安的是TST-2（日东京大学）。SUNIST的最终目标在100kA以上。另有两个装置的实验室没有参加本次会议，一是LATE（日京都大学），二是澳大利亚的ROTAMAK。这些单位中，约飞所的经验和基础最为老到；另一专业研究所是巴西的等离子体实验室，本次会议的东道主单位，此所涉及等离子体物理的基础研究时间较长，但ETE是他们的第一个涉及聚变等离子体的实验装置，该单位在这台装置上的各方面投入给人留下十分深刻的印象，虽是新兵，但不容小视。8.

UNISTSUNIST球形托卡马克实验进展

最引人注目的是两台兆安等离子体电流的大型装置，均于1999年调试，今年开始投入实验。至今，诊断和中性粒子注入等辅助加热的功率都在逐步地增加、完善。本次会议他们报告的实验结果主要是：MAST 辅助加热功率是触发H模（高约束模式）的重要的但并非唯一的因素，H模有时被锯齿振荡和环电压下降所触发。在H模时，偏滤器外靶板的功率负荷降低。电流在800kA以下，等离子体密度可超过Greenwald极限，在H模情况，G达0.7。IRE（内部磁重联）有关于q95面的演化及垂直不稳定性，与离子的高能尾巴的关系及高能粒子对稳定性的贡献正在研究中。NSTX 在辅助加热功率增加后（4MW的HHFW和NBI），环向比压由0.3%增加到22%、等离子体内能提高到170kJ、约束时间上升到100毫秒（中性注入H模等离子体）、等离子体电流平顶达到了200毫秒（1MA）。同时也观察到了非H模的能量约束改善（tE加倍），其征为：峰化的等离子体温度分布等。在HHFW加热时明显的电子加热使电子温度从200提高到4000电子伏。同时也注意到了粒子高能的分量（40keV左右）对不稳定性有影响。利用26kA的同轴螺旋电流注入实现了360kA的无感等离子体电流，电流倍增率达14，使得无感放电的实验提上日程。实验中还观察大量的其他有趣现象。9.

UNISTSUNIST球形托卡马克实验进展 不仅这两个大装置，凡在本会报告过使用了现场硼化的所有装置都从中得到了极大的好处，包括：减少了杂质含量（NSTX中减少了O、Cu）有效降低Vs数的消耗、改善了放电的重复性和可控制性、储能增加、脉冲拉长….这使得深受等离子体不老实之苦的装置-PEGASUS也急于要利用这一有效的壁处理措施去改善他们的放电。 俄罗斯的约飞技术物理研究所是聚变研究的老所，有不少富有新意的思想。但也由于此，该所在托卡马克装置的主流研究方面缺乏相应的表现。在球形托卡马克研究的队伍中，其实力极强。装置规模虽小于英、美两家，但应有条件做出类似的研究内容，装置各方面的配备也十分完备，总体规模列第三。

GLOBUS-M刚投入运行，本次会议报告了装置的基本放电情况。该装置采用电网、120MW晶闸管整流（已达50MW）的电源方案，按目前投入的电源水平已获得了250kA等离子体电流（半指标）。真空室处理：2000C的烘烤（8小时）、辉光放电（2A、110-3torr）及硼化（使密度增加数倍、降低Vs数消耗），限制器采用掺钛为主的复合石墨材料。优化后的通量消耗效率达3kA/mVs。逃逸电子能量达2MeV，已近最大。已观察到放电形成条件（电流及密度的上升率）对等离子体的磁流体不稳定性有影响，IRE出现前在软X线信号上有变化。该装置的诊断、加热及电源正在逐步投入。10.

UNISTSUNIST球形托卡马克实验进展

与GLOBUS-M的装置配置相当的还有巴西国家空间中心等离子体实验室的ETE。该所在聚变等离子体实验方面虽与美、英、俄三家有较大的差距。但其全力以赴的投入、与有经验的实验室的密切的国际合作，使他们有可能做出较为出色的工作。会议过程中，参观了ETE装置实验室，他们的装置给与会代表留下了十分深刻的印象，包括PPPL、CULHAM和约飞的代表。装置的设计和工艺都十分考究，唯一的有可能出问题的地方是加热场中心螺管，它的固定仅依靠它与环向场的绝缘材料固化，相对于环向场及其接头和整个装置的固定要薄弱的多。真空抽气机组选用了1500升/秒的巴尔采司的涡轮分子泵和VAT的250口径的插板阀，仅此两项就约占了我们经费的三分之一（但前级机组仅有4m3/h的抽速，实在不适合聚变实验装置的使用要求）。加热及诊断的配备具有大专业实验室的规格，美、日等大学实验室也难以相比。巴西国内有关单位的合作也十分密切，波的物理工作基本由前苏联的一些等离子体研究单位的人在做。 该装置的建造始于1995，2000年底获得首次等离子体。现在的实验集中在等离子体的形成、真空室处理和诊断的投入方面。首轮运行达到的等离子体电流为200千安（设计值的一半），环向场千高斯（设计值的一半）。环向场电容器储能128kJ(1.13MJ)、极向场160kJ(1MJ)、垂直场76kJ(150kJ)。真空室设计烘烤温度为2000C，但目前因未包绝热材料仅达约750C。放电时真空室涡流约60千安。击穿较佳气压为2

10-4mbar，采用热灯丝予电离，连续充氢，无予电离时击穿场强为2.5V/cm。击穿场强及延时虽环向场上升而变好，最短延时为半毫秒。等离子体存在向上的垂直运动。sponsoredby:

11.

UNISTSUNIST球形托卡马克实验进展

相比专业研究单位，大学的球形托卡马克研究显示了不同的特点。一般都有一些独特之处，在某一方面有着深入研究的可能。但在装置的综合配置方面，在总体体现等离子体参数及推进研究工作方面，是比不上专业实验室的。 东京大学的TST-2报告了较多的波吸收、耦合方面的内容。在电子回旋频率的电产生方面，效率强有关于充气压力，可达1kA/kW；小功率HHFW实验表明（加热功率1kW、频率25MHz），这一加热可望产生高密度、高温度及高的高能分量的等离子体。同时波与等离子体的强耦合对天线的匹配有很强的影响，当在天线前引入一限制器后，情况大为改观。 该装置的一特别之处是安排了一组磁探针，进入等离子体（r~0.6）以研究球形托卡马克所特有的IRE现象。初步研究提示，这一现象与多螺旋模有关。另，似乎是在真空条件改善后IRE现象得到了改善。 该实验室有扎实的等离子体物理和实验基础，虽没有在诊断和辅助加热方面的全面投入，但他们会在实验的基础上做出较有影响的等离子体物理结果。 华盛顿大学的HIT-II的主要特色在同轴螺旋注入方面，利用CHI和加热场达到了200kA电流。在长期研究和自己装置实验的基础上，他们参加了NSTX的CHI实验，并已取得了重要的结果，对等离子体的无感应启动做出了重要的贡献。12.

UNISTSUNIST球形托卡马克实验进展 在大学球形托卡马克中，威斯康星大学的PEGASUS是配置最为齐全的一个。装置很有特点，环径比可以在很大范围内变化，同时加热场中心螺管也可以提供较为充足的磁通变化，等离子体电流在200千安以上，辅助加热较齐全，诊断也有较完整的配置。该校介入聚变等离子体的研究也时间挺长。目前在很低的环径比，利用极低环向场（700高斯）实现了大于100千安的稳定放电、IP/IROD（环向场利用率）超过1.2、归一化电流达5、环向b达25%且无b极限出现的迹象、密度达到了Greenward极限、约束遵循ITER98定标。等离子体启动的特征包括：高电流上升率（15-45MA/s），低内感和大拉长。等离子体电流的演化时常受到MHD不稳定性的限制，观察到在q=2磁面上的m=2的模在电子逆磁方向旋转。 相比以上实验室和装置，SUNIST的起点显得低了一些，各方面的条件均有待完备。目前这个装置唯一令人感兴趣的是其环向和角向的电绝缘割缝，有的实验室考虑过电绝缘的方案（威斯康星大学），也有试过的（东京大学），终因技术上的困难和问题而放弃了。技术上成功的话，除了降低Vs消耗外，还会有很大的潜在优势，提供给我们极有利的进行等离子体物理研究的实验平台。但如果要抓住这个机会，就必须在装置和实验室建设同时从硬件和软件两个方面尽快地提高。13.

UNISTSUNIST球形托卡马克的诊断系统 完善的球形托卡马克诊断系统应全面准确地反映等离子体温度、密度、及它们的时空分布和涨落，等离子体的位置和形状，等离子体中的杂质含量及状态变化，极向场的分布及扰动，波的传播和激发等过程。一般，只有专业实验室才能分阶段地达到这样的配置；大学实验室大多在最基本的诊断外，再发展个别符合自己装置和研究特点的专项诊断；向完善诊断系统这一方向努力的也只有威斯康星，但这也得利于在美国这样的普遍的聚变研究发达条件。除硬件外，还要包括大量的处理和啮合软件才能从测量信号中得到所需要的物理量。 会议报告的完善诊断系统典型地包括：电磁探针 等离子体电流及位置形状（并用于实时反馈控制）、环电压、MHD不稳定性、等离子体内能（逆磁信号）。GLOBUS-M也采用了传统的鞍形探针测量水平位移。等离子体密度采用微波或远红外激光干涉仪、微波反射仪，红宝石或YAG激光散射仪得到等离子体密度的时空分布，可用激光小角度散射得到密度的涨落。等离子体温度采用红宝石或YAG激光散射得到电子温度的时空分布，利用软X线能谱得到电子温度（速度分布）；利用中性粒子交换或谱线的多普勒展宽得到离子温度（速度分布）。光谱诊断 可见、紫外、真空紫外，得到原料气体及杂质状态及运行状况信息。软X线阵列相关与软X激发的各种等离子体特性信息，特别是稳定性等。粒子束探针边界等离子体密度及涨落，等离子体极向场（电流密度分布）等。高速CCD照相直观的放电演化、等离子体边缘与限制器、偏滤器等的相互作用。静电探针得到边界等离子体的温度、密度及它们的涨落信息。总辐射、硬X线等离子体总辐射功率，逃逸电子及等离子体与限制器的相互作用。专项诊断波的传播、耦合，不同波的模式转化等。14.

UNISTSUNIST卡拉姆的MAST

15.

UNISTSUNIST普林斯顿大学等离子体实验室的NSTX

16.

UNISTSUNIST约飞技术物理所GLOBUS-M 装置及真空室内部

17.

UNISTSUNIST威斯康星大学PEGASUS

18.

UNISTSUNIST东京大学TST-2及前真空室环向绝缘的TST-M

19.

UNISTSUNISTTST-2

20.

UNISTSUNIST华盛顿大学HIT-II

21.

UNISTSUNIST弗拉斯卡蒂PROTO-SPHERA（球马克-建设中）

22.

UNISTSUNISTETE装置

23.

UNISTSUNISTETE装置的支撑结构 中心柱固定盘及支杆1

24.

UNISTSUNISTETE装置的支撑结构 中心柱固定盘及支杆2

25.

UNISTSUNISTETE装置真空系统

26.

UNISTSUNISTETE装置真空室内

27.

UNISTSUNISTETE装置的电磁探针和烘烤带

28.

UNISTSUNISTETE装置的加热场电容器（7千伏）和开关（引燃管）

29.射频波理论（RF）UNISTSUNIST共有4篇文章：1.Elfimov,A.G.(Univ.ofSP)介绍了一个两维计算模型。用多组分磁流体力学方程，在任意截面下计算ST中离子回旋频段(ICRF)的阿尔芬波(AW)的特征模波谱，波激励和耗散。初步的计算结果表明和环向模的耦合将导致广域本征阿尔芬波GAW的能量耗散；2.Ram,A.K.(MIT)讨论了ST中的电子波恩斯坦波。原来的研究表明通过O模或X模向电子波恩斯坦波(EBW)的转换，ECRF的射频波可以用来加热等离子体。从raytracinganalysis可以看出EBW在包括多普勒频移的电子回旋共振区及其谐波区被强烈吸收，能量沉积位置非常局域化。对于O模或X模转化的频率和波长不同，X模在更长平行波长和更低的频率转化为EBW；30.射频波理论（RF）UNISTSUNIST3.Grishanov，N.I.(LNCCofBrazil)用漂移动理方程推导了射频波作用下的介电张量的纵向元。模型考虑了二维轴对称等离子体，椭圆截面，任意拉长比和任意环径比，无碰撞，区别不同俘获轨道，但没有漂移效应和FLR。介电张量纵向元素用来研究在Alfven，快磁声波，和下杂化波RF波频段内RF通过电子朗道阻尼(electronLandaudamping)耗散的机制；4.Nekrasov，F.M.(LNCCofBrazil)通过解析求解Vlasov方程，得到简化的RF作用下介电张量。31.射频波理论（RF）UNISTSUNIST普遍而言，1.RF电流驱动和对等离子体加热的重要性2.从这次会议的文章看，除MIT的一篇外，基本上是由前苏联的一些等离子体研究单位的人在做，基本是基于多组分磁流体力学方程（MHD）或者线性Vlasov＋Maxwell方程做的机理性研究，主要探讨波在等离子体中的如何耗散问题。3.和实际的实验差距；非线形；其他可能机制32.平衡（Equilibrium）UNISTSUNIST共有3篇文章Andrade,M.C.(INPE)使用适合不同参数区的不同电流模型（H-S/Shaing,Sauter,non-collosionlHirshman)对ST中自洽平衡计算的影响做了研究，结果表明ETE中自举电流