關(guān)于系統(tǒng)研究轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)Tokamak等離子體性質(zhì)影響的建議

1、關(guān)于系統(tǒng)研究轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)Tokamak等離子體性質(zhì)影響的建議胡希偉湖北省 武漢市 華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 430074摘要Tokamak等離子體的速度場(chǎng)是和密度剖面、溫度剖面和磁場(chǎng)位形有同等重要性的等離子體狀態(tài)量，但卻沒有得到過(guò)系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。近年來(lái)，隨著對(duì)聚變堆等離子體狀態(tài)的各種外加控制方法的深入探討，已有越來(lái)越多的跡象表明：通過(guò)驅(qū)動(dòng)和控制等離子體的局部轉(zhuǎn)動(dòng)及邊界轉(zhuǎn)動(dòng)可以抑制聚變堆等離子體中出現(xiàn)的宏觀（磁流體）不穩(wěn)定性（如新經(jīng)典撕裂模和電阻壁模）和改善能量和粒子約束（通過(guò)對(duì)邊界局域模模式的轉(zhuǎn)換和臺(tái)基的參數(shù)的控制）。甚至有可能緩解面向等離子體的第一壁組件和偏濾板上的局部熱負(fù)荷。但是，

2、與磁流體的其它狀態(tài)量的研究相比，現(xiàn)有的對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的研究還是分散的，個(gè)別的，相應(yīng)的Database不但很小，而且也沒有經(jīng)過(guò)認(rèn)真的驗(yàn)征和評(píng)估。另一方面，除了EAST的長(zhǎng)脈沖外，我國(guó)各裝置的等離子體參數(shù)都落在已有的ITER物理Database范圍中，我們的診斷在十年內(nèi)也無(wú)法達(dá)到國(guó)際現(xiàn)在的先進(jìn)水平。在這種現(xiàn)實(shí)條件下，如果沒有新的物理研究思路，必定只會(huì)重復(fù)別人已經(jīng)做過(guò)的工作。但如果我們從現(xiàn)在開始、能組織全國(guó)的力量，從實(shí)驗(yàn)和理論上對(duì)等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)、控制及其物理影響上開展系統(tǒng)的，持續(xù)的研究，就有可能做出有特色的物理工作，并且可以凝聚出一些有意義的物理課題參加十年后在ITER上開展的物理實(shí)驗(yàn)研究，為未來(lái)的聚變

3、電站的聚變堆芯控制做出我們自己的貢獻(xiàn)。本文從介紹一些已知的轉(zhuǎn)動(dòng)研究成果出發(fā)，提出在我國(guó)開展轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)及其影響研究的一些建議，希望起到拋磚引玉的作用。A Proposal about Systematic Research for the Effects of Plasma Rotations on the Tokamak Confinements.Hu Xi-WeiCollege of Electric and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074, P. R. C

4、hina目錄一關(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)聚變堆芯等離子體性質(zhì)影響和控制的重要性的認(rèn)識(shí)1. 過(guò)去對(duì)等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)重要性的認(rèn)識(shí)（摘自2007年雙清論壇的發(fā)言）2. 在“ITER Physics Basis”中有關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)的查詢3. “STAC(Science and Technology Advisory Committe)-4”會(huì)議所建議的近期（2009-2010年）和中期（2011年以后）行動(dòng)計(jì)劃中和等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)的內(nèi)容4一個(gè)例子：能量和粒子約束時(shí)間與轉(zhuǎn)動(dòng)的定標(biāo)律關(guān)系（JET實(shí)驗(yàn)定標(biāo)的介紹）5小結(jié)二轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)和控制手段 1中性束切向注入 2離子回旋共振波注入 3 邊界擾動(dòng)磁場(chǎng)（旋轉(zhuǎn)共振螺旋場(chǎng)，動(dòng)力學(xué)隨機(jī)偏濾器(D

5、EDDynamic Ergodic Divertor，邊界局域模(ELMyEdge Local Mode) 控制線圈） 4超聲分子束切向注入 5靶丸（pellet）切向注入 6待發(fā)展的大質(zhì)量物質(zhì)注入（Massive Material Injection）三關(guān)于我國(guó)系統(tǒng)開展轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)等離子體性質(zhì)影響的建議 1對(duì)實(shí)驗(yàn)研究工作的建議 2對(duì)理論研究工作的建議一關(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)聚變堆芯等離子體性質(zhì)影響和控制的重要性的認(rèn)識(shí)1. 過(guò)去對(duì)等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)重要性的認(rèn)識(shí)（摘自2007年雙清論壇的發(fā)言）1）現(xiàn)在有的平衡位形都是不考慮等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)的；是L模下的平衡。所用的平衡方程是只含角向磁通的Grad-Shafranov方程，并

6、未計(jì)入流函數(shù)的影響。或者說(shuō)在磁流體的運(yùn)動(dòng)方程中，在平衡（也即靜態(tài)，）時(shí)，取平衡流u0 = 0。只考慮了壓力與電磁力的平衡。但實(shí)際上托卡馬克等離子體無(wú)論在角向還是在環(huán)向都在轉(zhuǎn)動(dòng)，而且流場(chǎng)是有剪切的。 這時(shí)，非線性的流速項(xiàng)，等價(jià)于一個(gè)離心力。在右邊的兩項(xiàng)接近抵消時(shí)，這個(gè)離心力項(xiàng)會(huì)對(duì)整體平衡起到?jīng)Q定性作用。而如果從能量方程中來(lái)看，轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能和磁能會(huì)同時(shí)起作用，并相互轉(zhuǎn)換。從螺旋性考慮總螺旋性不但包括磁螺旋性和流體渦旋性，也包括磁流體交叉的螺旋性。而且它們之間會(huì)相互轉(zhuǎn)換。2）等離子體的轉(zhuǎn)動(dòng)在先進(jìn)運(yùn)行模式中起重要作用有不少H模都伴有快速的轉(zhuǎn)動(dòng)流和很大的流剪切。尤其是邊界上由電場(chǎng)和電場(chǎng)梯度所引起的角向流，常

7、常是邊界H模的特征。3) 目前絕大多數(shù)的穩(wěn)定性分析，都是針對(duì)無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡位形進(jìn)行的如果平衡態(tài)變了，相應(yīng)的穩(wěn)定性分析的結(jié)論（包括線性增長(zhǎng)率，非線性演化及湍流的飽和）也一般會(huì)變。例如經(jīng)典撕裂模和新經(jīng)典撕裂模的線性增長(zhǎng)率在有流場(chǎng)剪切時(shí)會(huì)降低，各種溫度梯度模及邊界局域模如果計(jì)入了流場(chǎng)及其剪切也應(yīng)該會(huì)有改變。4) 湍流的飽和及反常輸運(yùn)也和平衡轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)例如，湍流引起的Zonal Flow應(yīng)當(dāng)從基于轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡態(tài)出發(fā)考慮，然后又會(huì)參加到平衡流中去。因此，完整的Zonal Flow理論（或模擬）必須和平衡的轉(zhuǎn)動(dòng)流自洽地一起考慮。2. 在“ITER Physics Basis”中有關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)的查詢關(guān)鍵詞：“rotat

8、ion”的搜索，共：134（約束和輸運(yùn)）+100（MHD穩(wěn)定，破裂）+1+1+22（穩(wěn)態(tài)運(yùn)行）+21（診斷）+0+1 = 280第二章：等離子體約束和輸運(yùn)（134項(xiàng)）ELM的控制和調(diào)制第三章：MHD穩(wěn)定性，運(yùn)行極限和破裂（100項(xiàng)）第四章：功率和粒子控制（1項(xiàng)）第五章：高能粒子物理（1項(xiàng)）第六章：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行（22項(xiàng)）第七章：診斷（21項(xiàng)）第八章：等離子體運(yùn)行和控制（0項(xiàng)）第十章：ITER對(duì)DEMO等離子體發(fā)展的貢獻(xiàn)（1項(xiàng)）3. “STAC(Science and Technology Advisory Committe)-4”會(huì)議所建議的近期（2009-2010年）和中期（2011年以后）行動(dòng)計(jì)

9、劃中和等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)的內(nèi)容1) ELMs的主動(dòng)控制/壓制（2.1.3-近期計(jì)劃） 邊界磁場(chǎng)擾動(dòng)（如動(dòng)力學(xué)隨機(jī)偏濾器(DED-Dynamic Ergodic Divertor)） 用靶丸(pellet)注入（如所謂的靶丸調(diào)頻技術(shù)(pellet pacing)）2) 發(fā)展其它的可以提高ITER高聚變性能的方法（指沒有ELMs的或小的、與整體景式(scenarios)相容的ELMs的方法，2.2.2-中期計(jì)劃） 用轉(zhuǎn)動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)剪切來(lái)產(chǎn)生邊界簡(jiǎn)諧振蕩以導(dǎo)致QH(Quiescent H)-mode3) 電阻壁模（RWM）的控制（3.1.9）用ELM控制線圈來(lái)控制電阻壁模 本人的評(píng)論：這可能是通過(guò)驅(qū)動(dòng)邊界

10、轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)克服鎖模（Mode Locked）影響，從而壓制RWM。另一個(gè)通過(guò)驅(qū)動(dòng)等離子體局部轉(zhuǎn)動(dòng)可能控制的宏觀不穩(wěn)定模是新經(jīng)典撕裂模（NTM）。很早就知道用外加共振螺旋場(chǎng)可以控制/壓制撕裂模（TM）和新經(jīng)典撕裂模，但共振螺旋場(chǎng)最后都會(huì)導(dǎo)致鎖模，不但使控制失敗，還引起破裂。如果能在有理面附近驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，則有可能克服鎖模。這時(shí)共振螺旋場(chǎng)和有理面轉(zhuǎn)動(dòng)合起來(lái)就可望控制/壓制新經(jīng)典撕裂模。DED或旋轉(zhuǎn)的共振螺旋場(chǎng)就是一種綜合這兩種性能的控制方案（見下面介紹）。4一個(gè)例子：能量和粒子約束時(shí)間與轉(zhuǎn)動(dòng)的定標(biāo)律關(guān)系（JET實(shí)驗(yàn)定標(biāo)的介紹）按照：P.C. de Vries et al “Scaling of rotat

11、ion and momentum confinement in JET plasmas”，2008 Nucl. Fusion 48 065006 (18pp) JET研究組從過(guò)去的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)（JET rotation database）中選取了各種景式（scenarios）的574個(gè)事例： 研究了轉(zhuǎn)動(dòng)與等離子體其它各種狀態(tài)量間的關(guān)系（見下圖）。其中轉(zhuǎn)動(dòng)用兩種特征馬赫數(shù)表征：熱馬赫數(shù)Mth和磁馬赫數(shù)MA： T是環(huán)向轉(zhuǎn)矩（總的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩），滿足角動(dòng)量L變化方程：在JET中有關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)的特征量為從中可以看出，離子溫度和電子密度都和轉(zhuǎn)動(dòng)馬赫數(shù)有關(guān)，因此可以得出馬赫數(shù)對(duì)其它狀態(tài)量的定標(biāo)關(guān)系以及能量約束時(shí)間

12、和粒子約束時(shí)間對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)速度的定標(biāo)律：可以看到，轉(zhuǎn)動(dòng)從整體上是能改善約束性能的。 但是這只是JET一個(gè)裝置上的結(jié)果，而且沒有進(jìn)行系統(tǒng)的、專門的研究。因此需要許多不同尺寸，不同參數(shù)的裝置來(lái)進(jìn)行有針對(duì)性的、系統(tǒng)的研究才行。5小結(jié) 從上面的討論可以看到，轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)托卡馬克等離子體的影響是全面的：它不但參與了傳統(tǒng)的平衡，宏觀穩(wěn)定到輸運(yùn)和微觀穩(wěn)定性，也出現(xiàn)在各種輔助加熱和電流驅(qū)動(dòng)中。對(duì)于反應(yīng)堆水平的聚變堆芯來(lái)說(shuō)，它還是一種重要的控制手段：可以控制和壓制一些對(duì)反應(yīng)堆芯來(lái)說(shuō)特別重要的宏觀不穩(wěn)定性（新經(jīng)典撕裂模NTM和電阻壁模RWM），也可以控制和壓制一些微觀不穩(wěn)定性和湍流造成的輸運(yùn)景式（scenario），如可以

13、調(diào)制邊界局域模（ELM）的模式和相應(yīng)的臺(tái)基（pedestal）參數(shù)，由此還可以控制和緩和從臺(tái)基內(nèi)向第一壁和偏濾器擋板投射的熱負(fù)荷，直接的通過(guò)邊界注入氣流可以改變刮削層和偏濾器中的流場(chǎng)，從而控制和緩和第一壁和擋板上的熱負(fù)荷分布最后，在ITER還提出了通過(guò)投射大質(zhì)量的物質(zhì)（Massive Material Injection）可能可以控制和壓制諸如破裂、垂直位移事件和逃逸電子。而大質(zhì)量物質(zhì)的投射所引起的轉(zhuǎn)動(dòng)在其中的作用也不可忽視。二轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)和控制手段 1中性束切向注入2離子回旋共振波注入3邊界擾動(dòng)磁場(chǎng)（旋轉(zhuǎn)共振螺旋場(chǎng)，動(dòng)力學(xué)隨機(jī)偏濾器(DEDDynamic Ergodic Divertor)，邊

14、界局域模(ELMyEdge Local Mode) 控制線圈） 4超聲分子束切向注入5靶丸（pellet）切向注入 6待發(fā)展的大質(zhì)量物質(zhì)注入（Massive Material Injection） 下面分別對(duì)通過(guò)DED和超聲分子束切向注入來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)作簡(jiǎn)單介紹： ADED（動(dòng)力學(xué)隨機(jī)偏濾器）JFT-2M和TEXTOR上都開展過(guò)外加隨機(jī)磁場(chǎng)（Ergodic Magnetic Field）來(lái)控制ELM，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)從而壓制宏觀不穩(wěn)定性等方面的研究工作。以TEXTOR為例：Fusion Engineering and Design 37 (3) (1997)目錄1. Executive Summary主管

15、的概述 335-3362. Background, motivation, concept and scientific aims for building a dynamic erodic divertor建造DED（動(dòng)力學(xué)隨機(jī)偏濾器）的背景，動(dòng)機(jī)和科學(xué)目標(biāo) 337-3403. Technical lay-out of the dynamic ergodic divertor DED的技術(shù)概觀 341-3464. Characteristic parameters of the magnetic field due to the dynamic ergodic divertor用于DED的磁

16、場(chǎng)特征參數(shù) 347-3525. Ergodization of the magnetic field at the plasma edge by the dynamic ergodic divertor of TEXTOR-94 在TEXTOR-94上用DED在等離體邊界造成的磁場(chǎng)隨機(jī)性 353-3786. Near field divertor structure of the helical perturbation current produced by the dynamic ergodic divertorDED產(chǎn)生的螺旋擾動(dòng)電流的近場(chǎng)偏濾器結(jié)構(gòu) 379-3837. Boundary

17、 layer physics considerations for the TEXTOR dynamic ergodic divertor experimentTEXTOR上DED實(shí)驗(yàn)的邊界層物理考慮 385-3918. Parametric variation of the inboard field line pitch angle for the operation of the dynamic ergodic divertor為了DED運(yùn)行，真空室內(nèi)場(chǎng)線螺旋角（pitch angle）的參數(shù)變化 393-3979. Penetration of the rotating magneti

18、c field into the plasma轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)進(jìn)入等離體的深度 399-409本文表明：DED產(chǎn)生的擾動(dòng)磁場(chǎng)可以以磁流體快波的模式傳入等離體中的共振層（k| = 0），有沒有等離體對(duì)其的穿入并無(wú)影響（？）。10. Considerations on diagnostics during operation with dynamic ergodic divertor on TEXTOR-94TEXTOR-94上有DED運(yùn)行期間論斷的一些考慮 411-41511. Modelling of plasma and impurity behaviour in a tokamak with a

19、stochastic layer具有隨機(jī)層的Tokamak中等離體和雜質(zhì)行為的模擬 417-42512. Particle drift trajectories in the rotating field of the dynamic ergodic divertor in the TEXTOR tokamak a Monte-Carlo studyTEXTOR tokamak中DED轉(zhuǎn)動(dòng)場(chǎng)中粒子的漂移軌道 427-43613. Model for plasma response for a finite relative velocity between plasma and a rotat

20、ing magneticperturbation當(dāng)?shù)入x體和轉(zhuǎn)動(dòng)磁擾動(dòng)間存在有限相對(duì)速度時(shí)的等離體模型 437-441本文描述了DED可以在等離體的奇異層中施加一個(gè)電流，此電流會(huì)產(chǎn)生兩種效應(yīng)：驅(qū)動(dòng)湍流，從而引起反常電阻；對(duì)等離體施加一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使等離體轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)TEXTOR所設(shè)計(jì)的DED，它所施加的環(huán)向力為40 N，大于中性束注入（1.5 MW，50 keV，H）時(shí)的環(huán)向力只有1 N。（注意到：在JET中的中性注入的轉(zhuǎn)矩 T = 0.31-23.1 Nm，R=2.96，a=1.2）14. The optimization of a radiative plasma mantle by the dyn

21、amic ergodic divertor用DED對(duì)輻射等離體幔進(jìn)行優(yōu)化 443-44415. Particle, in particular helium removal experiments optimized by the dynamic ergodic divertor用DED優(yōu)化的粒子、特別是氦移除的實(shí)驗(yàn) 445-448B超聲分子束切向注入后驅(qū)動(dòng)邊界轉(zhuǎn)動(dòng)的估算 假定等離子體在超聲分子束切向注入后作整體環(huán)向剛性轉(zhuǎn)動(dòng)，并且動(dòng)量轉(zhuǎn)移過(guò)程中角動(dòng)量守恒。由等離子體環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量 L0=R u0 = 22 R2 a2 mi ni u0 ,分子束切向注入到R時(shí)的環(huán)向角動(dòng)量Lin =in R u

22、in ，令L0 = Lin，得in = (uo/uin)對(duì)J-TEXT裝置的參數(shù)：R=1 m,a=0.25 m;質(zhì)子質(zhì)量mi = 1.672610-24 g，平均離子密度 ni = 31019 m-3，有= 6.1910-5 g ,于是in = 6.1910-5 (uo/uin) g對(duì)超聲分子束，其速度是室溫（300 K=310-5 keV）離子熱速度（2.2103 m/s）的幾倍。假定:uin = 1.0104 m/s，u0 = 7.010 5 m/s (JET上的最大環(huán)速度為 vM AX = 8.72 706 km/s)，則(uo/uin) = 70，故有in = 4.3 10-3 g.即小于全部等離子體粒子數(shù)的0.5%，相應(yīng)的分子數(shù)約為（mH2 = 2 mp = 3.3510-24 g） nH2 = 1.2810 21 個(gè)。在1.8個(gè)大氣壓下，相應(yīng)的分子束噴射前體積約為：Vmol = 2.8510 -5 m3 = 28.5 cm3.實(shí)際上，分子束只能穿入等離子體的一薄層，因此主要是驅(qū)動(dòng)等離子體邊界層（如ELM H-mode下的臺(tái)基）和刮削層（SO