33托卡馬克加熱

1、5.3中性束注入（NBI，Neutral Beam Input）加熱&為什么不直接利用高能離子束？ 磁場(chǎng)可以約束離子，使之不能逃出托卡馬克，同理外部高能離子束也被磁場(chǎng)約束，不易于進(jìn)入托卡馬克內(nèi)部。所以，需要在離子進(jìn)入托卡馬克前，將離子束中性化中性束。&產(chǎn)生中性束的工作原理圖（JET，正離子源） 偏轉(zhuǎn)低能離子（離子吞食器物）抽走低能中性粒子粒子電荷交換A(高能)Bà A（高能）B&產(chǎn)生中性束系統(tǒng)示意圖、實(shí)物照片（JET） 中性束系統(tǒng)示意圖實(shí)物照片托卡馬克一側(cè)（下圖：用于JET的正離子源，采用熱陰極磁約束）（下圖：用于ASDEX-U的正離子源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用RF感

2、性耦合，圖中澡盆狀部件為法拉第屏蔽，鐵箍狀部件為射頻線圈）&中性束加熱中的一些問(wèn)題（1） 中性束原子的選用在開始放電的初始建立階段，等離子體溫度不高，不能產(chǎn)生核反應(yīng)，可以用H原子中性束加熱。在點(diǎn)火、燃燒階段，可以采用D中性束。（2） 中性束注入位置、方向中性束注入位置：在托卡馬克的赤道面注入，通過(guò)最長(zhǎng)，密度最大的區(qū)域。注入方向：平行于環(huán)向，垂直于環(huán)向。ª垂直注入優(yōu)點(diǎn)：窗口設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：加熱后離子的垂直磁場(chǎng)能量大，容易進(jìn) 入香蕉（俘獲）軌道。在紋波度大的環(huán)向磁場(chǎng)中，俘獲快離子引起紋波擴(kuò)散，碰撞濺射托卡馬克壁，造成雜質(zhì)污染。ª平行注入：缺點(diǎn)：窗口設(shè)計(jì)較復(fù)雜占用空間大；

3、優(yōu)點(diǎn)：電離距離長(zhǎng)，產(chǎn)生穿行離子。注入方向可以平行、反平行托卡馬克電流方向。 NB具有動(dòng)量，單向平行注入會(huì)產(chǎn)生等離子體沿大環(huán)方向旋轉(zhuǎn)，可以采用對(duì)稱雙向注入。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)等離子體環(huán)向旋轉(zhuǎn)可以觸發(fā)L-H約束模式轉(zhuǎn)變（有益！），所以一般采用單向平行注入。 （3） 中性束與托卡馬克plasma的作用過(guò)程：電離、高能離子慢化中性束的電離有幾個(gè)過(guò)程：與電子、離子碰撞電離，電荷交換。在低能區(qū)： 電荷交換占主導(dǎo)（A(高能)Bà A（高能）B），中性粒子能量轉(zhuǎn)化為帶電粒子能量；在高能區(qū)： 高能中性原子與電子的碰撞電離（在高能區(qū)主要為多級(jí)電離）占主導(dǎo)。當(dāng)中性粒子被電離后，高能離子被約束在香蕉、通行軌道上。如果

4、高能離子的約束時(shí)間長(zhǎng)，將通過(guò)與其他粒子碰撞傳遞能量，自身速度降低（碰撞慢化，slow down）。（4） 托卡馬克的芯部加熱中性加熱要求其能量沉積在托卡馬克芯部，對(duì)于大托卡馬克（如ITER），要求中性束到達(dá)芯部，需要提高中性束能量àà相應(yīng)要求提高離子源D離子能量，在ITER上，要求離子能量達(dá)到0.25-0.5Mev。（5） 增加D離子能量出現(xiàn)的問(wèn)題在需要高于0.1Mev的中性束（相應(yīng)地，離子能量需要高于0.1Mev）時(shí)，如果仍然采用正離子中性化方法，中性化效率下降（參見下圖）。（上圖：離子中性化率隨離子能量（Kev）的變化）說(shuō)明1：正離子源中有多種離子成分，原子離子、分子離

5、子說(shuō)明2：正離子的中性化率不是100%，而且中性化率不隨中性化室長(zhǎng)度增加而單調(diào)提高，有最佳長(zhǎng)度，和最大中性化率。解決方法：采用負(fù)離子中性化方法。ª負(fù)離子的產(chǎn)生方法/途徑（兩種，結(jié)合下面兩圖說(shuō)明）：【負(fù)離子有兩種產(chǎn)生方式】：（1）在體相產(chǎn)生負(fù)離子：在相對(duì)高的高能電子作用下，產(chǎn)生高振動(dòng)能態(tài)的分子，高振動(dòng)能態(tài)的分子在分解時(shí)俘獲低能電子(dissociative attachment）。 該方式的產(chǎn)生效率高。體相產(chǎn)生負(fù)離子的要求： 需要磁場(chǎng)隔離or磁過(guò)濾（magnetic filter）高能電子、低能電子區(qū)（參考上圖中結(jié)構(gòu)，下圖中的結(jié)果。）（上圖：負(fù)離子源中電子溫度的軸向分布）（2）在表面產(chǎn)

6、生負(fù)離子：原子從涂敷銫壁上碰撞彈開時(shí)，產(chǎn)生負(fù)離子。為了獲得高速率負(fù)離子產(chǎn)率，需要提高原子密度、能量，負(fù)離子的原始能量較高。ª負(fù)離子源的重點(diǎn)問(wèn)題： 負(fù)離子的高效率產(chǎn)生； 負(fù)離子的加速（電子需要控制，采用橫向磁場(chǎng)阻擋電子，僅引出負(fù)離子）。ª負(fù)離子中性化方法：不同于正離子電荷交換方法；具體方法為：負(fù)離子和熱分子氣體作用，將負(fù)離子的電子剝離，剝離效率高達(dá)60%。采用高電離率的plasma替代熱分子氣體，效率可以進(jìn)一步提高到80%。（6） ITER上的基于負(fù)離子源的中性束指標(biāo)D0 ， 1 MeV， a current of 40A， 50MW， three units.（日本JT-6

7、0U的負(fù)離子源最好，拿到N-NBI的發(fā)包）。2003已實(shí)現(xiàn)指標(biāo)： 功率5.8MW，中性束能量0.4Mev，時(shí)間10s計(jì)劃指標(biāo)： 功率10MW，中性束能量0.5Mev，時(shí)間10s（日本研究人員正在裝配負(fù)離子源）（7） 正、負(fù)離子源的中性束加熱技術(shù)比較F正離子比負(fù)離子容易產(chǎn)生，低能NBI均使用基于正離子源的NBIF負(fù)離子不容易產(chǎn)生，電子容易失去，但中性化效率高。F正離子源中，加負(fù)偏壓引出后，負(fù)離子被阻止，但正離子中有各種成分，如分子離子D2+，D3+，加速后得到的能量均相同E0，經(jīng)過(guò)中性化，進(jìn)入等離子體分解、電離后，每個(gè)原子得到的能量為E0/2,E0/3,這些能量低，沉積在托卡馬克等離子體的邊緣區(qū)

8、，PNBI功率沉積區(qū)域?qū)挕?負(fù)離子源成分單一，對(duì)應(yīng)NBI的功率沉積區(qū)域窄。 FN-NBI技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，效率低，成本高產(chǎn)生區(qū)：高能電子、低能電子需要隔離；引出區(qū)：負(fù)離子、電子需要控制，采用橫向磁場(chǎng)阻擋電子，僅引出負(fù)離子。（8） 中性束加熱技術(shù)優(yōu)點(diǎn)F加熱效率高；F對(duì)NBI加熱對(duì)等離子體的變化不敏感，不受托卡馬克等離子體形狀、分布。（波加熱對(duì)等離子體變化敏感，原因：存在阻抗匹配問(wèn)題）；F不受加熱過(guò)程中伴隨現(xiàn)象的影響，邊緣局部模、鋸齒波、不同運(yùn)行模式過(guò)渡等變化的影響。（9） 國(guó)內(nèi)（等離子體所）的中性束加熱發(fā)展簡(jiǎn)介F1978年（建所前）即開始研究，建所后設(shè)立了專門的研究室（四室）；F研發(fā)的離子源（潘寧源

9、）直徑：7,10,15cm；F在HT-6M上進(jìn)行過(guò)中性束（100KW）加熱實(shí)驗(yàn)，有明顯的離子加熱效果；F1988年，建立直徑為15cm的離子源，要求幾十萬(wàn)升抽速低溫泵，當(dāng)時(shí)液氮、液氦價(jià)格高，經(jīng)費(fèi)支持不夠，該方向的研究計(jì)劃暫停，撤銷第四研究室，有關(guān)人員開辟新的研究方向（低能離子與生物作用）。F2002年起，國(guó)家對(duì)聚變研究加大投入，等離子體所重新開始中性束注入研究。F近年進(jìn)展：-EAST裝置輔助加熱系統(tǒng)”是國(guó)家“十二五”大科學(xué)工程，2010年7月正式立項(xiàng)。-2012年1月14日EAST中性束注入系統(tǒng)（NBI）測(cè)試臺(tái)首次成功調(diào)試。-指標(biāo)：束能量50千伏，束流22安培，束脈寬106毫秒的引出束流，離子

10、束功率達(dá)到11兆瓦。-最終目標(biāo)2至4兆瓦中性束注入系統(tǒng)的研制提供強(qiáng)有力的可靠支持。EAST對(duì)NBI要求： 源的數(shù)量： 兩個(gè)中性束能量：40-90Kev（仍然使用正離子源）；注入功率： 3-4MW；引出粒子： H，D，He 束。脈沖寬度： 100-1000S5.4 粒子加熱（簡(jiǎn)單介紹） 在有D、T聚變反應(yīng)D + T 4He(3.52MeV) + n(14.06MeV)的托卡馬克裝置中，帶電離子中有高能的粒子。粒子的能量遠(yuǎn)高于本底的氘氚離子的能量，其密度則要低很多。離子與其它粒子碰撞，將能量傳遞給D、T離子、電子。當(dāng)聚變反應(yīng)速率足夠高時(shí)，由聚變產(chǎn)生粒子可以維持氘氚等離子體處于高溫狀態(tài)，使聚變反應(yīng)持

11、續(xù)進(jìn)行。這個(gè)過(guò)程稱為粒子的自加熱，也是建堆發(fā)電的物理基礎(chǔ)。（加熱部分結(jié)束）6. 托卡馬克非感性電流驅(qū)動(dòng)6.1為什么需要等離子體電流（前面已講述）n若沒有等離子體電流，僅存在外部縱向磁場(chǎng)時(shí)，磁場(chǎng)由為同心圓的磁力線組成，在該種磁場(chǎng)中，帶電粒子受兩種向外的力：（1） 離心力運(yùn)動(dòng)的帶電粒子沿磁力線運(yùn)動(dòng)，受向外的離 心力。（2） 磁梯度力環(huán)內(nèi)側(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于外部，帶電粒子受向外的磁驅(qū)動(dòng)力。 在上述兩種力的作用下，不同電荷產(chǎn)生不同方向的漂移，即電荷分離，由此形成空間電場(chǎng)。該空間電場(chǎng)與磁場(chǎng)的EXB漂移又驅(qū)動(dòng)等離子體整體向外運(yùn)動(dòng)。 結(jié)論：簡(jiǎn)單圓環(huán)磁場(chǎng)不能有效地約束帶電粒子。 （簡(jiǎn)單圓環(huán)磁場(chǎng)中不同帶電粒子的漂移

12、運(yùn)動(dòng)）n克服電漂移的方法：使磁力線旋轉(zhuǎn)，同一根磁力線既經(jīng)過(guò)環(huán)的上面，又經(jīng)過(guò)環(huán)的下面，從而抵消電荷積累。n磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方法在托克馬克中產(chǎn)生沿環(huán)向的電流由此產(chǎn)生小環(huán)向磁場(chǎng)托卡馬克磁位形。在螺旋場(chǎng)中，相對(duì)于磁軸而言，帶電粒子的位置不斷變化，其對(duì)應(yīng)的漂移方向也改變（在大環(huán)內(nèi)側(cè)，漂移運(yùn)動(dòng)指向磁軸，在大環(huán)外側(cè)，漂移運(yùn)動(dòng)偏離磁軸），平均而言，帶電粒子在磁軸附近運(yùn)動(dòng)，形成良好的約束。6.2為什么需要非感性電流驅(qū)動(dòng)環(huán)向電流可以由變壓器產(chǎn)生（感性電流驅(qū)動(dòng)），但由變壓器提供的磁通變化總是有限，對(duì)應(yīng)等離子體電流維持時(shí)間有限，這決定純粹的變壓器托卡馬克只能進(jìn)行秒級(jí)脈沖運(yùn)行。聚變反應(yīng)堆電站要求能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地提供功率輸出，所

13、以，托卡馬克必須通過(guò)其他非感應(yīng)的電流驅(qū)動(dòng)方式來(lái)獲得更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。20世紀(jì)70年代有人提出了非感性電流驅(qū)動(dòng)（不借助變壓器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流的渦旋電場(chǎng)）環(huán)向電流的設(shè)想，并在托卡馬克實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。6.3托卡馬克運(yùn)行對(duì)非感性電流驅(qū)動(dòng)的基本要求 í可以在高密度托卡馬克等離子體中驅(qū)動(dòng)電流原因：在托卡馬克運(yùn)行趨于能量平衡、自持運(yùn)行、建堆發(fā)電的過(guò)程中，需要增加等離子體密度。í電流驅(qū)動(dòng)的效率高原因：由此可以相應(yīng)降低所需驅(qū)動(dòng)源功率。 í局域電流驅(qū)動(dòng) 原因：控制電流分布，得到好的磁場(chǎng)位形6.4非感性電流驅(qū)動(dòng)主要方法、基本原理問(wèn)題及其問(wèn)題（1） NB電流驅(qū)動(dòng)（a）電流驅(qū)動(dòng)方法=NB垂直注入

14、等離子體，只起加熱作用，產(chǎn)生的快離子大部分被俘獲在香蕉軌道上；=NB切向注入（大環(huán)方向），不僅可以加熱等離子體，而且beam還可以在注入方向產(chǎn)生快離子（以電荷交換方式），形成環(huán)向電流； 問(wèn)題：電子與beam快離子、plasma離子的碰撞后，在注入方向上產(chǎn) 生定向電子流，電子流與快離子流同向，降低了NB驅(qū)動(dòng)電流。（b）NBI驅(qū)動(dòng)電流與電子溫度的關(guān)系（c）NBI驅(qū)動(dòng)電流的優(yōu)點(diǎn) í 電流驅(qū)動(dòng)效率隨電子溫度提高而非線性增加（與變壓器驅(qū)動(dòng)電流特性相反，適用建堆發(fā)電時(shí)的運(yùn)行）；í 與等離子體的耦合技術(shù)簡(jiǎn)單，對(duì)物理過(guò)程有相對(duì)充分的了解；（2） 電子回旋電流驅(qū)動(dòng)（Electron cycl

15、otron Current Drive， ECCD）í 電磁波驅(qū)動(dòng)電流的一般原理 有直接驅(qū)動(dòng)、間接驅(qū)動(dòng)兩種； 直接驅(qū)動(dòng)： 電磁波在托卡馬克環(huán)向（縱向）上直接與電子作用，加速電子形成定向電流； 間接驅(qū)動(dòng)：在垂直（相對(duì)于縱向磁場(chǎng)而言）方向上，電磁波與電子產(chǎn)生回旋共振作用，電子垂直磁場(chǎng)的能量增加，由此間接產(chǎn)生環(huán)向電流（具體驅(qū)動(dòng)機(jī)理如下）í 電子回旋電流驅(qū)動(dòng)原理（屬間接驅(qū)動(dòng)）E3.電子順著波傳播方向運(yùn)動(dòng)，由Doppler 效應(yīng)，此運(yùn)動(dòng)方向上的電子“覺得”ECW頻率降低，共振位置外移。V先通過(guò)回旋共振得到加速，V的增加量大。ee驅(qū)動(dòng)沿波傳播方向的縱向“凈”電子流4.電子碰撞頻，向V轉(zhuǎn)

16、移能量。5.由Doppler 效應(yīng)，與波逆向運(yùn)動(dòng)的電子“覺得”ECW頻率高，共振位置內(nèi)移，雖然該處的電子可以被加速，但此處的ECW電場(chǎng)已減弱（已損耗于外層電子加速），V的增加量小。6. 電子碰撞頻，向V轉(zhuǎn)移能量。非對(duì)稱碰撞注：在ECCD設(shè)計(jì)中，需要使驅(qū)動(dòng)凈電流方向與原有環(huán)向電流相同2.電子回旋共振層1. ECW波由低場(chǎng)邊斜入射進(jìn)入等離子體.（垂直入射只有加熱作用）í電子回旋電流驅(qū)動(dòng)效率 （a） 如上面所述：如果電子在合適的方向（低場(chǎng)注入時(shí)，電子順著波傳播方向運(yùn)動(dòng)）的電子數(shù)目多，ECCD效率高。具體實(shí)施方法：先通過(guò)低雜波驅(qū)動(dòng)電流（電子流），在加上ECW電流驅(qū)動(dòng)。該效應(yīng)稱為協(xié)同（syne

17、rgy effect）。同樣，ECCD也可以作為輔助電流驅(qū)動(dòng)方式，協(xié)助其他電流驅(qū)動(dòng)。（b） 電流驅(qū)動(dòng)效率隨電子溫度提高而增加（電子溫度提高，碰撞頻率降低，由電磁波獲得的定向電子流容易保持）； 但隨電子密度增加而降低（碰撞頻率隨電子密度增加而提高）；（c） 在偏軸位置（off-axis），電流驅(qū)動(dòng)效率低，原因：該區(qū)的俘獲電子多（在香蕉區(qū)內(nèi)往返運(yùn)動(dòng)），不能形成環(huán)向電流。 í電子回旋電流驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) 由于采用回旋共振方式，可以在局部空間驅(qū)動(dòng)電流，控制等離子體電流徑向分布，抑制特定磁面上的MHD不穩(wěn)定性（如：在q2的磁面上驅(qū)動(dòng)電流，可以抑制m2的撕裂模tearing mode）（3） RF波電

18、流驅(qū)動(dòng)íRF波電流驅(qū)動(dòng)與波入射方向F射頻波入射方向決定了它是否只有加熱作用，還是兼有加熱、驅(qū)動(dòng)電流作用。F垂直磁力線入射的只起加熱作用；波在平行磁力線方向有電場(chǎng)分量，會(huì)驅(qū)動(dòng)電流。íRF波電流驅(qū)動(dòng)的方法 主要方法有：射頻離子回旋電流驅(qū)動(dòng)（RF Ion Cyclotron Current Drive， RFICCD）；快波電流驅(qū)動(dòng)（Fast Wave Current Drive，F(xiàn)WCD）。íRF快波電流驅(qū)動(dòng)原理 EBE（a）快波（電場(chǎng)沿“絕緣”方向，可以傳播）F波的電場(chǎng)垂直外直流磁場(chǎng)（在平行外磁場(chǎng)方向上，波的電場(chǎng)分量為零）；沿徑向傳播（能傳播到托卡馬克芯部）

19、4;à橫電（TE）波。F不能直接加熱離子，通過(guò)少數(shù)離子加熱、模式轉(zhuǎn)化的波加熱離子、電子。BK在RF加熱中，根據(jù)傳播方向的不同，磁化等離子體中的波分為快、慢分支，采用RF快波進(jìn)行加熱。在非感性電流驅(qū)動(dòng)技術(shù)中，也可以采用FW驅(qū)動(dòng)電流，其原理為：快波斜入射進(jìn)入托卡馬克，波的平行（大環(huán)方向，平行于縱場(chǎng)）相速度與電子沿大環(huán)方向的熱速度相近時(shí)，快波可以通過(guò)兩種方式加速電子：電子受到環(huán)向朗道加熱（電子與環(huán)向快波電場(chǎng)作用）和瞬態(tài)磁泵浦（transit time magnetic pumping，TTMP，電子與環(huán)向快波磁場(chǎng)作用）加速。附：TTMP概念解釋快波在環(huán)向縱場(chǎng)方向上有波動(dòng)磁場(chǎng)，由于波的磁場(chǎng)在

20、縱向上不均勻，電子可以受到磁梯度驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)電子平行熱速度與波的平行相速度相同時(shí)，電子可以持續(xù)受到磁梯度推力。當(dāng)相速度滿足如下圖所示的關(guān)系時(shí)，電子受到TTMP加速（與電場(chǎng)的朗道加速條件類似）說(shuō)明：FW斜入射進(jìn)入托卡馬克等離子體時(shí)，平行縱場(chǎng)方向上有電場(chǎng)、磁場(chǎng)。為了使沿一個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)的電子受到優(yōu)先加熱，F(xiàn)W天線電流需要非對(duì)稱調(diào)相控制（參考下圖），使某一方向上的波傳輸功率更高，在此方向上驅(qū)動(dòng)電子電流。Faraday 屏蔽Metal strap/current strap可以調(diào)相接地點(diǎn)接地板RF高壓端，接同軸線內(nèi)導(dǎo)體。í射頻離子回旋電流驅(qū)動(dòng)（RF Ion Cyclotron Current D

21、rive， RFICCD）原理 在射頻離子回旋電流驅(qū)動(dòng)中，波斜入射進(jìn)入等離子體，波與離子產(chǎn)生回旋共振作用。 由前面的討論知，單一離子不能由基頻離子回旋共振加熱，需要在托卡馬克中引入兩種離子，少數(shù)離子被基頻回旋共振加熱。 與加熱同理，射頻離子回旋電流驅(qū)動(dòng)也需要采用少數(shù)離子，并且由w-wci = k|v|知，少數(shù)離子在某一方向被優(yōu)先加熱，從而產(chǎn)生電流（產(chǎn)生離子后，RFIC驅(qū)動(dòng)電流的過(guò)程與前面電子回旋電流驅(qū)動(dòng)類似）。 說(shuō)明：在將來(lái)聚變電站燃燒等離子體，D、T密度相當(dāng)，少數(shù)離子電流驅(qū)動(dòng)技術(shù)不適用。（4） 低雜波（Low Hybrid Wave，LHW）電流驅(qū)動(dòng)í低雜波概念 F低雜波是X波（非

22、尋常波）的低頻段在垂直磁場(chǎng)傳播時(shí)，X波的色散關(guān)系如下圖所示。垂直磁場(chǎng)傳播時(shí)X波的色散關(guān)系曲線在低雜波頻率下，折射率無(wú)窮大，表明低雜波被可以共振吸收） 在時(shí)，低混雜頻率為： 在下面不同的條件下，低混雜頻率又可化簡(jiǎn)為常用的近似公式：附：在典型的托卡馬克參數(shù)條件下，不同模式的頻率范圍：電子回旋頻率 幾十、上百GHZ；離子回旋頻率 十幾MHz；低雜波頻率 幾個(gè)GHz，可以使用2.45GHz（同低溫ECR Plasma）。一般地： F低雜波的快波慢波/傳播截止（在不同頻段的X波，都有快慢波，） BE（b）慢波（電場(chǎng)沿“良導(dǎo)體”方向，被截止）（a）快波（電場(chǎng)沿“絕緣”方向，可以傳播）EBK在垂直入射時(shí)（k

23、/=0, l /, n/= k/c/w=0）:慢波消失，只存在快波,并且快波在低雜波共振層被吸收（在該區(qū)域，主要加熱離子），即使低雜共振層不存在，在快波向托卡馬克內(nèi)部傳播的過(guò)程中，其垂直相速度隨密度增加而降低，當(dāng)快波相速度為離子熱速度的幾倍，快波可以加熱離子。在斜入射時(shí)(n/增加，慢波可以傳播）:當(dāng)n/（即大環(huán)方向）滿足臨界條件時(shí)同時(shí)天線附近的電子密度大于臨界截止電子密度時(shí)，可以耦合激發(fā)所需要的慢波。 在滿足上面的低雜波傳播條件下，希望控制波的平行折射率n/，使低雜波的平行相速度與電子平行熱速度滿足：V/p several V/e （電子加熱條件）CCC 此時(shí)，低雜波有效地加速超熱電子，獲得更

24、大效率的電子電流驅(qū)動(dòng)。 為了滿足同時(shí)滿足低雜波傳播條件和加速超熱電子條件，要求低雜波發(fā)射系統(tǒng)具有波長(zhǎng)調(diào)節(jié)（參見不同裝置中平行波長(zhǎng)）能力，采用開端波導(dǎo)陣列（grill）控制實(shí)現(xiàn)（如下圖所示）結(jié)構(gòu)。（不同托卡馬克中的低雜波系統(tǒng)，注意N/的范圍） Microwave frequency: 2.45GHz Total microwave power: 3MW（500kW´6） Pulse time: 1S Antenna: 2 （2´12，2´24） N112´122´24低雜波電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（HL-2A）（JET 低雜波天線）（不同發(fā)射單元之間存在相位

25、差，由移相器（phase shifter）實(shí)現(xiàn)）（已裝入JET 上的加熱、電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，左邊為低雜波天線，右邊為RF天線，表面金屬條為法拉第屏蔽） 在低雜波由天線向低雜共振層的傳播過(guò)程中，射線追蹤計(jì)算結(jié)果表明，波順著磁面沿螺旋曲線向內(nèi)傳播，在該過(guò)程中，電子通過(guò)Landau阻尼得到加熱?？刂瓢l(fā)射波的發(fā)射能譜，使其在平行磁場(chǎng)方向的功率譜不對(duì)稱，即可得到某一方向的電子電流。由于低雜波總是螺旋進(jìn)入等離子體，電子加速、電流驅(qū)動(dòng)總是發(fā)生在托卡馬克等離子體邊緣區(qū)，即offaxis current drive。在實(shí)驗(yàn)中，人為控制入射低混雜波的平行波長(zhǎng),可以調(diào)整波在等離子體內(nèi)部的沉積位置，改變等離子體電流徑向分

26、布。 í提高低雜波電流驅(qū)動(dòng)效率的方法（1） 調(diào)節(jié)n/，使低雜波與碰撞弱的超熱電子作用；（2） 提高電子溫度（non-inductive drive的共性問(wèn)題） （低雜波電流驅(qū)動(dòng)效率與電子溫度的定標(biāo)率關(guān)系）（3） 提高天線附近的等離子體密度（matched edge density），降低波的反射率（低雜波反射率隨邊界電子密度的變化(JT-60U上，低雜波頻率為2GHz波反射率 在偏濾器位形下，等離子體和低雜波天線之間的距離較大，天線前的電子密度有可能低于低雜波的截止電子密度，因此為了實(shí)現(xiàn)很好的耦合，需要補(bǔ)充充氣。（低雜波電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，采用充氣方法gas puff，提高天線附近的等離子體

27、密度）有g(shù)as puff （紅色圓點(diǎn)），無(wú)gas puff(藍(lán)色三角) 時(shí)，低雜波反射率隨天線等離子體（plasma wall）距離的變化í低雜波電流的應(yīng)用（1）電流驅(qū)動(dòng)，維持穩(wěn)態(tài)運(yùn)行最重要的手段（JT-60U:3.6MA, JET:3MA)；（2）Off-axis電流驅(qū)動(dòng)，符合穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，產(chǎn)生并維持高約束等離子體；（3）實(shí)現(xiàn)H模等離子體；（4）控制電流密度分布，抑制m=1-2 撕裂模，控制鋸齒波不穩(wěn)定性。（5） 各種加熱、電流驅(qū)動(dòng)方法的小結(jié)表（主要為電磁波）Wave TypeFrequencyMain ApplicationAlternative ApplicationRF Sour

28、ceTransmissionSide effectsElectron cyclotron(w n·wce)28-170 GHzHeat of ElectronsCurrent drive;Suppression of instabilitiesGyrotronP £ 1 MWOversize (a>>l) waveguides;MirrorsNon-thermal electronsLow Hybrid(wci<w<wce)2 - 5 GHzCurrent drive（不用于加熱）q-profile controlMagnetron or Klyst

29、ronP £ 1 MWRectangular waveguidesAbsorption at plasma peripheryIon Cyclotron(w n·wci)20 120 MHzHeat of Ionsand ElectronsGrid-Tube (triode or tetrode)P £ 2 MWCo-axial linesImpurity Alfvén(w < wci)（沒講授）2 - 6 MHzHeat of Ionsand ElectronsGrid-Tube (triode or tetrode)P £ 1 MWC

30、o-axial linesBig antennal最有效加熱的是離子回旋共振、NBI方法：可將離子加熱到聚變堆所要求的溫度（20keV）； 如：JT-60U 中用NBI和ICRH方法得到44keV的氘離子溫度；l電子回旋加熱(ECRH)可以在局部將電子加熱到很高溫度，一般用于輔助加熱手段；l低雜波常用于電流驅(qū)動(dòng)(LHCD)；lRF快波電流驅(qū)動(dòng)沒有LHCD、ECCD的波截止問(wèn)題，可以深入等離子體內(nèi)部。lNBI 可以產(chǎn)生等離子體旋轉(zhuǎn)（直接的能量傳遞）；在各種波中，僅ICRH能產(chǎn)生等離子體旋轉(zhuǎn)，但對(duì)應(yīng)的原理沒有完全理解。（6） 多種加熱和電流驅(qū)動(dòng)下的協(xié)同效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中通常是多種加熱、電流驅(qū)動(dòng)手段的組合，

31、得到比單一加熱、電流驅(qū)動(dòng)好的效果。ðLHCD與ICRH和ECRH的協(xié)同ICRH和ECRH可以改善低雜波的耦合，提高電流驅(qū)動(dòng)效率。下面為實(shí)驗(yàn)例子：ICRF on射頻波開啟后，低雜波反射率（Ref）下降、注入功率（PLH）增加波反射率ðNBIRF（快波、回旋共振） 等等其它協(xié)同作用 （7） 等離子體自舉電流（bootstrap current）í自舉電流的產(chǎn)生原理（簡(jiǎn)單的推導(dǎo)、說(shuō)明方法，坐標(biāo)參看下圖，物理圖像在后） 在托卡馬克平衡方程中，分出俘獲粒子部分； èè俘獲粒子在反射點(diǎn)之間來(lái)回反射，對(duì)多個(gè)俘獲粒子而言，俘獲粒子的極向電流為零可以得到環(huán)向電流

32、：（à俘獲粒子的不均勻分布產(chǎn)生環(huán)向電流）俘獲粒子占全部粒子的比例為：èè èè 更為嚴(yán)格的推導(dǎo)結(jié)果為：í自舉電流的物理圖像 由上式，環(huán)向電流的產(chǎn)生與等離子體梯度有關(guān)。 在物理上，梯度大小與等離子體（電子）輸運(yùn)有關(guān)。當(dāng)俘獲電子向外擴(kuò)散時(shí)，俘獲電子獲得環(huán)向動(dòng)量（boot strap ），通過(guò)與穿行電子碰撞俘獲電子將環(huán)向動(dòng)量傳遞給穿行電子，或者是電子向外輸運(yùn)引起環(huán)向摩擦力，從而形成環(huán)向電流。在有外加料（小球注入，pellet input，如右圖所示）的條件下，等離子體擴(kuò)散可以持續(xù)不斷，對(duì)應(yīng)形成穩(wěn)定的自舉環(huán)向電流，降低了聚變堆的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行對(duì)外部電流驅(qū)動(dòng)的要求。í影響自舉電流的參數(shù) 由表達(dá)式分析： l等離子體密度、溫度高（高托卡馬克），即有輔助加熱的高托卡馬克裝置中，Pe大，自舉電流高； l與俘獲電子分布有關(guān)托卡馬