托卡馬克等離子體約束

人類生活對(duì)能源的需求核聚變及受控核聚變?cè)淼入x子體約束的基本問(wèn)題等離子體約束的各種模式等離子體輸運(yùn)與能量約束定標(biāo)約束改善與邊緣局域模控制總結(jié)和討論內(nèi)容摘要第一頁(yè)，共92頁(yè)。人類生活對(duì)能源的需求日益增大能源消耗圖表自從人類學(xué)會(huì)如何使用能源使自己生活更加舒適和方便后，人們使用能源的能力和對(duì)能源的消耗就不斷增加。工業(yè)文明發(fā)展之后，這種需求和增加就越來(lái)越快。為了保持人類的舒適生活，現(xiàn)在對(duì)能源的消耗極大第二頁(yè)，共92頁(yè)。各種能源消耗的份額石油35%煤23.5%天然氣20.7%核能6.8%生物能11.1%水能2.3%現(xiàn)存能源種類其他能源：風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、?.5%古時(shí)，人類多使用太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能等自然能源，以及少量的樹木等可再生能源農(nóng)業(yè)社會(huì)時(shí)，許多像樹木一樣的可燃燒物被使用，也有少量的煤、石油等化石燃料被使用。工業(yè)文明之后，大量的化石燃料被使用，而且隨著人口的急劇增加和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)了嚴(yán)重能源危機(jī)和污染問(wèn)題。第三頁(yè)，共92頁(yè)。中國(guó)對(duì)石油的需求和產(chǎn)量第四頁(yè)，共92頁(yè)。世界上石油資源的蘊(yùn)藏量分布世界上的石油資源分布極其不均衡，其中中東地區(qū)占有已探明儲(chǔ)量的70%。中國(guó)是一個(gè)石油儲(chǔ)量相對(duì)貧乏的國(guó)家。第五頁(yè)，共92頁(yè)。各種化石能源的使用年限按照現(xiàn)在的消費(fèi)增長(zhǎng)，化石燃料可供人類使用時(shí)間分別為:煤：220年石油：40年天然氣：60年第六頁(yè)，共92頁(yè)。人類生活對(duì)能源的需求核聚變及受控核聚變?cè)淼入x子體約束的基本問(wèn)題等離子體約束的各種模式等離子體輸運(yùn)與能量約束定標(biāo)約束改善與邊緣局域模控制總結(jié)和討論內(nèi)容摘要第七頁(yè)，共92頁(yè)。核聚變?cè)懋?dāng)兩個(gè)輕原子核結(jié)合成一個(gè)較重的原子核時(shí)，會(huì)釋放能量。我們稱這種結(jié)合為聚變，放出的能量稱為聚變能。在人工控制下的聚變稱為受控聚變，釋放受控聚變能量的裝置，稱為聚變反應(yīng)堆或聚變堆。D-D反應(yīng)D-T反應(yīng)第八頁(yè)，共92頁(yè)。常用的核聚變反應(yīng) 輕核聚合反應(yīng)：1D2+1D2→2He3+0n1+3.2MeV1D2+1D2→1T3+1p1+4.0MeV1D2+2He3→2He4+1p1+18.3MeV1D2+1T3→2He4+0n1+17.6MeV故總結(jié)果：61D2→22He4+21p1+20n1+43.1MeV即每個(gè)氘核聚變后可產(chǎn)生約7.2MeV的能量，是每個(gè)重核裂變釋放能量0.85MeV的8.5倍，單位質(zhì)量的氘核聚變釋放的能量比裂變大很多，這是聚變反應(yīng)作為一種潛在新能源的突出優(yōu)點(diǎn)。第九頁(yè)，共92頁(yè)。地球上有多少氘氘（D）和氚(T）是氫的同位素。海水里含有豐富的氘，自然界中基本上沒(méi)有氚。如果將海水里所有的氘全部用來(lái)發(fā)電，將是取之不盡的能源。1升海水相當(dāng)于340升汽油的能量。海水里含有豐富的氘第十頁(yè)，共92頁(yè)。氚的生成用地球陸地上的鋰生成氚可以使用上千年海水里也蘊(yùn)藏豐富的鋰資源第十一頁(yè)，共92頁(yè)。氚的衰變氚的半衰期為12.3年，所以自然界中不存在大量的氚。在自然界中只存在3.7kg的氚。而氚在人體中只能存在40天。在氚的衰變過(guò)程中，只會(huì)產(chǎn)生低能β射線（電子），β射線甚至不能穿透皮膚?？諝庵械摩律渚€只能傳播幾毫米。第十二頁(yè)，共92頁(yè)。等離子體固體液體氣體等離子體增加原子(核)運(yùn)動(dòng)速度的方法通常是提高物體的熱運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)物體的溫度足夠高時(shí)，物體呈等離子態(tài)。第十三頁(yè)，共92頁(yè)。等離子體的約束方法等離子體是由宏觀上呈電中性的帶電粒子所組成。自然狀態(tài)下的等離子體是自由運(yùn)動(dòng)的。高溫的等離子體必須要約束較長(zhǎng)的時(shí)間。磁場(chǎng)可很好約束高溫等離子體，使其沿磁力線運(yùn)動(dòng)。第十四頁(yè)，共92頁(yè)。磁約束等離子體的聚變裝置托卡馬克（Tokamak）仿星器（Stellarator）第十五頁(yè)，共92頁(yè)。托卡馬克裝置原理第十六頁(yè)，共92頁(yè)。托卡馬克等離子體的加熱通常用“聚變?nèi)朔e和增益Q值”來(lái)衡量等離子體的品質(zhì)參數(shù)。勞遜判據(jù)：要達(dá)到能量得失相當(dāng)，要求等離子體密度n與等離子體能量約束時(shí)間的乘積n×τE的最小值約為0.6×1020m-3s，即滿足聚變反應(yīng)物理可行性的最低要求。若QDT=1，則要求nT乘積達(dá)到2×1021m-3skeV第十七頁(yè)，共92頁(yè)。聚變反應(yīng)率隨溫度急劇增加聚變等離子體持續(xù)燃燒需要有足夠的高溫、高密和長(zhǎng)時(shí)間的約束，即滿足所謂勞遜判據(jù)?？紤]軔致輻射損失后的勞遜判據(jù)要求nTE大于31021m-3keVs。對(duì)于大型托卡馬克裝置溫度T=10keV，離子密度11020m-3，得到能量約束時(shí)間要達(dá)3s以上。第十八頁(yè)，共92頁(yè)。受控核聚變研究的發(fā)展50’s：建立了最初的小型磁約束裝置60’s：建立了成功的托卡馬克裝置70’s：建立了中型尺寸的托卡馬克80’s：建立了大型的托卡馬克90’s：達(dá)到了聚變功率得失相當(dāng)水平2006：協(xié)議建造國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆ITER第十九頁(yè)，共92頁(yè)。ITER的典型參數(shù)尺寸：24m（高） 30m（直徑）大半徑：6.2m小半徑：2m磁場(chǎng)：5.3T等離子體體積：850m3放電持續(xù)時(shí)間：3000s加熱功率：73MW(I)聚變功率：500MW功率增益Q： 10第二十頁(yè)，共92頁(yè)。我們離受控聚變成功還有多遠(yuǎn)第二十一頁(yè)，共92頁(yè)。可自持的受控核聚變反應(yīng)堆使用已有的氘和氚建立等離子體放電，達(dá)到聚變反應(yīng)條件聚變反應(yīng)生成中子、能量和氦，氦被排除用中子與裝置內(nèi)的鋰發(fā)生核反應(yīng)，生成氚，回收氚用生成的氚繼續(xù)與氘發(fā)生聚變反應(yīng)能量被吸收，產(chǎn)生蒸汽發(fā)電第二十二頁(yè)，共92頁(yè)。人類生活對(duì)能源的需求核聚變及受控核聚變?cè)淼入x子體約束的基本問(wèn)題等離子體約束的各種模式等離子體輸運(yùn)與能量約束定標(biāo)約束改善與邊緣局域模控制總結(jié)和討論內(nèi)容摘要第二十三頁(yè)，共92頁(yè)。能量約束時(shí)間的定義能量約束時(shí)間是描述等離子體最基本的參數(shù)之一，它是衡量能量約束好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，其定義為：

E=WP/(Pt-dWp/dt)這里WP是等離子體總儲(chǔ)能，Pt是等離子體得到的凈的加熱功率，它提供給所有通道的能量損失，包括輻射、熱傳導(dǎo)和對(duì)流。能量約束時(shí)間表示能量被約束在等離子體內(nèi)部的存在時(shí)間，它是可以直接或間接地測(cè)量到的物理量。第二十四頁(yè)，共92頁(yè)。等離子體約束的一些基本問(wèn)題托卡馬克等離子體的約束是指將等離子體的粒子和熱能約束在其磁場(chǎng)位形中。磁約束等離子體，是一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)下的多自由度體系，其中的粒子和能量都與外界不斷地進(jìn)行著交換，等離子體的各種參數(shù)也隨著時(shí)間不斷地變化著，等離子體與約束等離子體的磁場(chǎng)位形有著強(qiáng)烈的相互依賴關(guān)系，構(gòu)成一個(gè)非常復(fù)雜的電、磁、粒子系統(tǒng)。很多不穩(wěn)定性會(huì)影響能量約束，改變等離子體參數(shù)和磁場(chǎng)位形又可抑制或被激發(fā)各種不穩(wěn)定性，改善或變壞等離子體的約束。影響等離子體約束性能的主要物理過(guò)程包括磁流體平衡及其不穩(wěn)定性、雜質(zhì)輻射、電子和離子的反常輸運(yùn)等。第二十五頁(yè)，共92頁(yè)。磁場(chǎng)位形影響等離子體約束在磁約束聚變裝置中，首要問(wèn)題是建立能穩(wěn)定約束高溫等離子體的平衡位形，單個(gè)帶電粒子不僅能夠被長(zhǎng)時(shí)間地約束，而且等離子體的能量也不會(huì)很快通過(guò)輸運(yùn)過(guò)程被損失掉。由于帶電粒子沿磁力線運(yùn)動(dòng)，決定了磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子具有約束能力，簡(jiǎn)單的均勻磁場(chǎng)并不能長(zhǎng)時(shí)間約束帶電粒子。通過(guò)建立由外加磁場(chǎng)和等離子體電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的組合磁場(chǎng)，大部分帶電粒子可以長(zhǎng)時(shí)間沿磁力線運(yùn)動(dòng)而不會(huì)明顯地?fù)p失掉，這就是所謂的磁場(chǎng)位形。一種好的磁場(chǎng)位形不但要約束住帶電燃料粒子，而且要能約束住核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高溫等離子體，并使其在這種磁場(chǎng)位形下保持宏觀平衡，也就是要使等離子體的壓強(qiáng)P，電流密度j和約束磁場(chǎng)B之間保持一定的平衡關(guān)系。高拉長(zhǎng)比和三角度位形是獲得先進(jìn)等離子體的優(yōu)化位形。第二十六頁(yè)，共92頁(yè)。磁流體不穩(wěn)定性影響能量約束磁流體不穩(wěn)定性嚴(yán)重影響等離子體的約束性能，它會(huì)引起等離子體快速的宏觀不穩(wěn)定性，它包括發(fā)展速度極快的理想磁流體不穩(wěn)定性，以及相對(duì)較慢的電阻性不穩(wěn)定性。磁流體不穩(wěn)定性又可按其模式發(fā)生的位置分為內(nèi)部模、自由邊界?；虮砻婺！：笳邔儆谡婵諈^(qū)的擾動(dòng)模式和固定邊界模式，如外部扭曲模與僅發(fā)生在壞約束區(qū)的氣球模就屬于表面模，而大部分撕裂模和內(nèi)扭曲模都屬于內(nèi)部模。控制等離子體電流和壓強(qiáng)分布可部分控制磁流體不穩(wěn)定性。如通過(guò)控制邊緣安全因子的大小可以控制外部扭曲模的增長(zhǎng)；優(yōu)化電流分布有利于抑制撕裂模的發(fā)展；而控制壓強(qiáng)分布又可以抑制氣球模的發(fā)展。影響約束的主要磁流體模式是內(nèi)扭曲模和撕裂模；在非常高的比壓下，可能是氣球模和表面扭曲模。第二十七頁(yè)，共92頁(yè)。電流極限破裂影響能量約束當(dāng)總電流超過(guò)磁流體穩(wěn)定性極限時(shí)會(huì)產(chǎn)生破裂，它大都出現(xiàn)在低q大電流放電中，邊緣q進(jìn)入磁流體扭曲模的不穩(wěn)定參數(shù)區(qū)，從而激發(fā)扭曲模而導(dǎo)致放電破裂雖然等離子體總體運(yùn)行在穩(wěn)定參數(shù)區(qū)，但距不穩(wěn)定性的邊界不遠(yuǎn)，于是實(shí)驗(yàn)條件稍有變動(dòng)，例如中性氣流突然加大，或雜質(zhì)流突然增加使邊緣很快冷卻，導(dǎo)致實(shí)際電流通道的收縮，邊緣等效安全因子降低而進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)。在較高的邊緣安全因子條件下運(yùn)行，或者對(duì)電流剖面進(jìn)行控制，可以抑制電流極限破裂。第二十八頁(yè)，共92頁(yè)。密度極限破裂影響能量約束由于輻射功率隨密度近似平方增加，在接近密度極限時(shí)，大量功率輻射會(huì)使邊緣冷卻，電流通道收縮，電流分布改變，引起磁流體不穩(wěn)定性，導(dǎo)致類似于電流極限的破裂。密度極限破裂可分為電子溫度分布收縮、熱淬滅及電流淬滅三個(gè)階段。當(dāng)密度超過(guò)一定值后，邊緣電子溫度開始冷卻，這一過(guò)程逐漸向內(nèi)部區(qū)域發(fā)展，芯部電子溫度不斷降低，導(dǎo)致熱區(qū)很快收縮，此發(fā)展時(shí)間在100ms內(nèi)。當(dāng)熱區(qū)收縮到q=2面附近時(shí)，邊緣熱通道收縮會(huì)誘發(fā)磁流體不穩(wěn)定性，開始進(jìn)入熱淬滅階段，其熱等離子體柱被外區(qū)冷等離子體包圍，熱區(qū)實(shí)際處于脫離狀態(tài)，n=1的外部扭曲模快速發(fā)展，導(dǎo)致冷等離子體與中心熱等離子體的混合，促使芯區(qū)電子溫度進(jìn)一步降低，熱淬滅時(shí)間在10ms以內(nèi)。最后進(jìn)入電流淬滅階段，電流通道完全收縮，放電終止，其特征時(shí)間為幾十毫秒。由于密度極限破裂發(fā)展較慢，有時(shí)能觀測(cè)到MARFE等一些先兆現(xiàn)象，通過(guò)增加注入加熱功率可抑制密度極限破裂。第二十九頁(yè)，共92頁(yè)。平衡位移失控影響能量約束平衡失控失控這種情況在實(shí)驗(yàn)中比較普遍，如送氣過(guò)快或加熱過(guò)快引起等離子體密度、溫度的快速變化，位移控制跟不上平衡位置的變化而引起等離子體快速靠近器壁，增強(qiáng)了等離子體與器壁的相互作用，加大了雜質(zhì)輻射而引起放電破裂。這種位移破裂可以通過(guò)改進(jìn)位移控制技術(shù)，即對(duì)位移進(jìn)行快速反饋控制來(lái)避免。第三十頁(yè)，共92頁(yè)。電流快上升破裂影響能量約束電流快速上升容易產(chǎn)生電流的趨膚分布，激發(fā)了一些較高的極向模數(shù)而引起邊緣區(qū)電流分布發(fā)生畸變通過(guò)激發(fā)磁流體不穩(wěn)定性而引起放電破裂，或者通過(guò)大量產(chǎn)生逃逸電子誘導(dǎo)放電破裂。這類破裂可以通過(guò)降低電流上升率或者讓密度與電流同步上升而抑制它。第三十一頁(yè)，共92頁(yè)。比壓極限破裂影響能量約束比壓極限破裂在高參數(shù)下出現(xiàn)，即使邊緣安全因子遠(yuǎn)離磁流體不穩(wěn)定性邊界，也會(huì)因等離子體比壓大于某種不穩(wěn)定性的臨界閾值而引發(fā)破裂。比壓極限破裂的特征類似于密度極限破裂，但比密度極限破裂更難控制。首先從平衡方程出發(fā)，要求等離子體壓強(qiáng)必須小于磁壓強(qiáng)，平衡條件所要求的比壓是很寬的條件，所以比壓極限破裂多源于磁流體不穩(wěn)定性的限制。磁流體不穩(wěn)定性以較快的增長(zhǎng)率發(fā)展，引發(fā)二次或多次熱淬滅，如果整個(gè)過(guò)程影響到大部分約束區(qū)，最終會(huì)導(dǎo)致大破裂。如果僅影響部分約束區(qū)，可能只發(fā)生一次小破裂。理論研究表明比壓極限來(lái)自于氣球模不穩(wěn)定性，是過(guò)大的壓強(qiáng)梯度與壞磁場(chǎng)曲率引起的；有的理論也認(rèn)為在高比壓條件下，外部理想扭曲模的發(fā)展也會(huì)引發(fā)破裂。對(duì)于大型裝置以及未來(lái)的反應(yīng)堆，約束的主要限制來(lái)自密度極限破裂和比壓極限破裂。第三十二頁(yè)，共92頁(yè)。雜質(zhì)影響等離子體能量約束由于雜質(zhì)會(huì)增大等離子體能量的輻射損失，改變等離子體參數(shù)的空間分布，降低等離子體的能量約束時(shí)間，稀釋反應(yīng)離子的密度，降低聚變反應(yīng)等離子體的品質(zhì)因素，而成為等離子體約束研究的一個(gè)主要方面。輻射損失直接影響電子溫度剖面，而局部電子溫度又與局部電阻率有關(guān)，因而輻射損失會(huì)影響環(huán)向電流密度剖面和安全因子剖面。這些剖面分布又影響等離子體磁流體不穩(wěn)定性，若等離子體發(fā)生宏觀不穩(wěn)定性，例如由于邊緣過(guò)分冷卻使電流通道收縮，會(huì)激化扭曲模和撕裂模不穩(wěn)定性，形成大的磁島，導(dǎo)致放電破裂。輻射損失也可使等離子體局部約束變壞。第三十三頁(yè)，共92頁(yè)。雜質(zhì)控制可改善能量約束雜質(zhì)按電荷數(shù)的大小可分為重雜質(zhì)和輕雜質(zhì)。重雜質(zhì)主要來(lái)源于真空室壁、孔欄或偏濾器靶板材料中的重金屬，重雜質(zhì)進(jìn)入約束區(qū)后會(huì)造成非常大的輻射損失，只要有萬(wàn)分之幾的含量就可以使氘氚點(diǎn)火停止，因此是必須嚴(yán)格防止。輕雜質(zhì)主要是氧、碳、鋰、硼等，分別來(lái)源于真空室壁的吸附、孔欄材料或壁表面覆蓋材料。輕雜質(zhì)輻射雖比重雜質(zhì)小，但因其對(duì)燃料離子的稀釋作用，對(duì)等離子體總體品質(zhì)影響也很大，也要盡力避免。對(duì)雜質(zhì)的控制，首先是選擇適當(dāng)?shù)钠鞅凇⑵珵V器靶板和孔欄等材料。早期的實(shí)驗(yàn)中第一壁多采用高Z（鉬、鎢）材料，主要是因?yàn)檫@些材料有較高的熔點(diǎn)，且物理濺射的閾值高，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)它們的等離子體品質(zhì)很差。后來(lái)改用低Z雜質(zhì)，如石墨、硼或鈹?shù)茸鞯谝槐诓牧?。采用硼化、硅化等器壁處理技術(shù)，有效降低了第一壁的再循環(huán)，減少了雜質(zhì)及輻射功率，改善了等離子體約束，取得了很好的實(shí)際效果。輕雜質(zhì)的侵蝕率很大，反應(yīng)堆中太高的含量會(huì)降低燃料離子的濃度。偏濾器位形能減少等離子體與器壁的相互作用，它將大多數(shù)粒子和熱量引入專門的偏濾器區(qū)域，讓熱量沉積在特設(shè)的靶板上，并用特殊的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)阻擋靶板上濺射的雜質(zhì)回流至主等離子體區(qū)，顯著減少雜質(zhì)的來(lái)源?，F(xiàn)代偏濾器已經(jīng)成為托卡馬克磁場(chǎng)位形中的一個(gè)重要組成部分，偏濾器物理也是磁約束研究的重要部分。第三十四頁(yè)，共92頁(yè)。人類生活對(duì)能源的需求核聚變及受控核聚變?cè)淼入x子體約束的基本問(wèn)題等離子體約束的各種模式等離子體輸運(yùn)與能量約束定標(biāo)約束改善與邊緣局域模控制總結(jié)和討論內(nèi)容摘要第三十五頁(yè)，共92頁(yè)。等離子體約束的幾種類型等離子體約束行為可分為三大類第一類是歐姆加熱條件下的等離子體行為第二類是由輔助加熱引起的較歐姆加熱條件下的能量約束變壞的所謂低約束狀態(tài)（L-模）第三類是較L-模狀態(tài)的能量約束有所改善的放電模式，即高約束模式（H-模）第三十六頁(yè)，共92頁(yè)。歐姆加熱的能量約束特性在歐姆加熱放電條件下，等離子體的能量約束時(shí)間與等離子體密度ne，大小半徑R、a，安全因子q有關(guān)，通常滿足Neo-Alcator定標(biāo)關(guān)系在密度較低時(shí)，此定標(biāo)給出能量約束時(shí)間隨等離子體密度線性增加，即所謂的LOC約束特性。當(dāng)密度增加到一定值后，τE隨ne增加的趨勢(shì)將減弱，最后出現(xiàn)飽和或回落的現(xiàn)象，此種約束狀態(tài)被稱為SOC約束狀態(tài)。出現(xiàn)飽和約束時(shí)間的臨界密度值具有定標(biāo):nsat=0.7Bt(T)Ai0.5/qaR(m)第三十七頁(yè)，共92頁(yè)。飽和能量約束時(shí)間的定標(biāo)率ITER數(shù)據(jù)分析組專門對(duì)圓截面等離子體在SOC方式下的數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析，得到了下面的飽和能量約束時(shí)間定標(biāo)律[NF37,1303]：

通過(guò)控制密度的分布，如利用彈丸或分子束注入加料，使密度分布變陡；或?qū)ζ鞅谶M(jìn)行預(yù)處理，降低邊緣再循環(huán)，來(lái)增加密度的峰化因子，可增加飽和密度值。當(dāng)?shù)入x子體密度已達(dá)到LOC區(qū)的臨界飽和密度，τE仍隨ne增加而線性增加；只有ne達(dá)到一新的臨界值后，τE才出現(xiàn)飽和，此時(shí)的能量約束時(shí)間已大幅度提高，這種約束得到較大提高的歐姆放電叫IOC放電。在ASDEX上，首先對(duì)IOC放電進(jìn)行了深入研究。第三十八頁(yè)，共92頁(yè)。輔助加熱下的低約束模特性早期人們采用高能中性粒子或射頻波注入來(lái)提高等離子體溫度，發(fā)現(xiàn)能量約束時(shí)間隨加熱功率增加而明顯下降，即所謂的低約束模放電。這意味著等離子體的反常輸運(yùn)隨溫度增加而增加，并大致滿足功率定標(biāo)關(guān)系τEPtot-0.5。最先由Kaye和Goldston給出了低約束模的能量約束定標(biāo)律，通常叫做Kaye-Goldston定標(biāo)律，后來(lái)在綜合了很多聚變裝置如ASDEX，PLT，TFR，JET，TFTR，JT-60U，DIII-D的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后發(fā)展起來(lái)了ITER89-P定標(biāo)律。約束變壞可能是溫度超過(guò)了某種臨界梯度，突然激發(fā)某些微觀不穩(wěn)定性，例如ITG，導(dǎo)致了反常熱導(dǎo)率突然加大。不同的加熱功率沉積剖面也會(huì)影響捕獲粒子特性，從而激發(fā)某種反常輸運(yùn)模式而導(dǎo)致約束變壞。當(dāng)人們對(duì)低約束模感到失望時(shí)，在ASDEX上獲得了比低約束模式好近一倍的穩(wěn)定約束，并把它叫做高約束模式。目前人們正在對(duì)不同的放電條件下的等離子體約束行為進(jìn)行深入研究，探索改善約束的各種有效途徑。第三十九頁(yè)，共92頁(yè)。多種等離子體約束改善模式在ASDEX上，首先觀察到當(dāng)輔助加熱功率達(dá)到或超過(guò)一定閾值時(shí)，等離子體約束性能突然增加，其能量約束時(shí)間與L－模約束定標(biāo)相比可增加約1倍，等離子體約束具有很多新的特點(diǎn)，這就是所謂的H－模放電[Wagner84,Phys.Rev.Lett.53,1453]。H－模的發(fā)現(xiàn)對(duì)當(dāng)時(shí)的聚變界是一個(gè)巨大的鼓舞，接著人們幾乎在所有的具有較大非歐姆加熱的裝置上都觀察到類似的H－模約束狀態(tài)，而且無(wú)論是偏濾器位形或孔欄位形，中性束加熱或射頻波加熱，甚至在非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)條件下，都可實(shí)現(xiàn)此種H－模放電。后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了與ASDEX的H－模特征不同的其它改善約束狀態(tài)，這些改善約束不僅具有更高的改善因子，而且具有明顯改善中心約束性能的特征。第四十頁(yè)，共92頁(yè)。約束增強(qiáng)因子H89隨中心離子與電子溫度比例的變化第四十一頁(yè)，共92頁(yè)。H-模的典型特征在DIII-D上觀察到，H－模發(fā)生時(shí)，邊緣密度漲落突然在幾厘米范圍內(nèi)減少。在JET上，約束的突然改變可以發(fā)生在等離子體外圍區(qū)域的較大范圍內(nèi)，并不只限于等離子體邊緣。觀察發(fā)現(xiàn)，極向轉(zhuǎn)動(dòng)速度的增加先于L-H模轉(zhuǎn)換，且徑向電場(chǎng)的最大剪切（即dEr/dr）和極向速度最大剪切的位置是與粒子密度、電子和離子的溫度梯度的最大位置基本一致，也與密度漲落減少的位置一致，證實(shí)了理論預(yù)言，即極向轉(zhuǎn)動(dòng)速度及其剪切的增加，或徑向電場(chǎng)剪切的增加，是減少湍流輸運(yùn)和改善約束的必要條件。在一些裝置上還進(jìn)行了在孔欄上加電偏壓或在邊緣區(qū)域附近外加電極偏壓誘發(fā)類H－模的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)偏壓電場(chǎng)達(dá)到足夠大小時(shí)，等離子體約束也會(huì)發(fā)生類似于L-H模轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，這種類H－模約束態(tài)具有輔助加熱產(chǎn)生的H－模約束態(tài)類似的特征，因此從另一角度證實(shí)了邊緣電場(chǎng)及其剪切在產(chǎn)生H－模轉(zhuǎn)換過(guò)程中的重要作用。第四十二頁(yè)，共92頁(yè)。H－模的功率閾值H－模首先在ASDEX上中性束注入下得到，當(dāng)注入功率達(dá)到一定閾值后，放電會(huì)突然從低約束態(tài)轉(zhuǎn)變成高約束態(tài)，典型的高約束態(tài)的能量約束時(shí)間是低約束態(tài)的兩倍。能量約束時(shí)間的增大意味著在同樣的加熱功率下等離子體儲(chǔ)能增大，這種增大既來(lái)自電子和離子溫度的增加，也來(lái)自粒子密度的提高。L－H模轉(zhuǎn)換需要滿足一些條件，如加熱功率必須大于一定閾值。對(duì)ASDEX裝置，H模發(fā)生的條件是等離子體單位表面積的功率密度P/S應(yīng)大于（23）10-2MW/m2。后來(lái)根據(jù)大多裝置實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出L-H模轉(zhuǎn)換的功率閾值定標(biāo)[Doyle07,NF47，S82]： PLH(MW)=0.042ne0.73(1020m-3)BT0.74(T)S0.98(m2) 對(duì)ITER裝置參數(shù)ne=0.5×1020m?3,Bt=5.3T和S=680m2，則L－H轉(zhuǎn)換功率閾值PLH＝52MW，小于第一階段73MW的加熱功率。第四十三頁(yè)，共92頁(yè)。產(chǎn)生H－模的其它條件早期對(duì)L-H模轉(zhuǎn)換的功率閾值的機(jī)理并不是很清楚，此閾值隨等離子體尺寸、密度和縱場(chǎng)而增加，還存在其它條件影響模轉(zhuǎn)換的條件。雖然L-H模轉(zhuǎn)換可在偏濾器或孔欄放電中出現(xiàn)，但在偏濾器位形中更容易轉(zhuǎn)換。只要縱場(chǎng)在使磁場(chǎng)梯度漂移朝向偏濾器的方向，單零點(diǎn)比雙零點(diǎn)位形所要求的功率閾值低。在ASDEX上，H-模僅發(fā)生在較高的密度區(qū)，約ne>31013cm-3，后來(lái)在較低的密度條件下，也能實(shí)現(xiàn)H-模，但要求更大的功率閾值。第四十四頁(yè)，共92頁(yè)。H-模的產(chǎn)生機(jī)制人們已經(jīng)提出了幾種可能產(chǎn)生H-模的機(jī)制一種模型認(rèn)為H-模轉(zhuǎn)換可能是輸運(yùn)方程存在故有的雙解一種模型認(rèn)為，L-H轉(zhuǎn)換與邊緣等離子體不穩(wěn)定性的突然改變有關(guān)，此改變又與流速的剖面分布有關(guān)。例如，增加橫越不穩(wěn)定區(qū)的流剪切可能抑制某些不穩(wěn)定性。約束的改善首先是從等離子體邊緣開始的，當(dāng)加熱功率接近L-H模轉(zhuǎn)換的閾值功率時(shí)，邊緣溫度的增加使等離子體壓強(qiáng)梯度在邊緣區(qū)不斷增加，溫度分布在邊緣區(qū)變陡，極向旋轉(zhuǎn)速度在此區(qū)域明顯加大，于是在此區(qū)域形成邊緣輸運(yùn)壘ETB。在ETB出現(xiàn)后，在能量約束時(shí)間尺度內(nèi)，電子密度在整個(gè)等離子體區(qū)域內(nèi)增加，并伴有整個(gè)等離子體通道內(nèi)的約束改善。第四十五頁(yè)，共92頁(yè)。H－模放電的控制對(duì)下一代托卡馬克如ITER裝置，H－模已被確定為其常規(guī)運(yùn)行模式。能否在反應(yīng)堆上用H－模運(yùn)行，還決定于改善約束的優(yōu)勢(shì)能否在可控的條件下實(shí)現(xiàn)，是否增加反應(yīng)堆的等離子體雜質(zhì)含量和芯部粒子的堆積。約束改善的H－模的溫度增加是不可控的，容易發(fā)生從H-L模的逆轉(zhuǎn)換，且約束的改善也包括雜質(zhì)約束增強(qiáng)，出現(xiàn)雜質(zhì)積累。雜質(zhì)積累的影響可利用邊緣局域模ELM來(lái)緩解，但又犧牲了部分的約束改善效果，特別是脈沖式ELMs的熱負(fù)荷會(huì)對(duì)器壁和偏濾器造成傷害。第四十六頁(yè)，共92頁(yè)。TFTR上的超級(jí)放電在歐姆加熱條件下通過(guò)提高密度的峰化因子可以得到改善約束的IOC放電。在強(qiáng)的輔助加熱條件下，峰化的密度分布能進(jìn)一步改善約束，且改善約束的程度很大，這對(duì)輔助加熱的前景意義非常重大。在TFTR上，利用獨(dú)特的壁處理技術(shù)，在低密度下，將兩束方向相反的平衡中性束注入到等離子體中，發(fā)現(xiàn)具有非常峰化的密度分布和低的再循環(huán)，等離子體約束改善因子比一般的H模還大，可達(dá)到3左右，聚變?nèi)朔ene0ETi0比L模時(shí)增大20倍，為一般邊緣H模的5倍，能量約束時(shí)間隨密度峰化因子而增加。[Scott95,PoP2，2299]在此種高約束模式下，進(jìn)一步提高約束的限制來(lái)自磁流體不穩(wěn)定性，TFTR上超級(jí)放電的最高歸一化比壓達(dá)到N<2.7，而極向比壓不能超過(guò)縱橫比A=R/a，主要的不穩(wěn)定模式是低n外部扭曲模及氣球模，表現(xiàn)為較軟的比壓極限崩塌或快破裂。第四十七頁(yè)，共92頁(yè)。JET的彈丸增強(qiáng)性能H－模JET的彈丸增強(qiáng)性能（PEP）H－模也是通過(guò)提高密度的峰化因子來(lái)改善約束，此種改善約束是在彈丸注入下得到的。[PPCF36,A23]在氫丸或氘丸注入下，等離子體的壓強(qiáng)分布劇烈峰化，其能量約束改善因子達(dá)3.8，據(jù)推測(cè)這樣高的約束改善因子可能與負(fù)剪切位形有關(guān)在能量約束改善的同時(shí)，粒子約束也得到改善。因此在密度增加時(shí)，雜質(zhì)在等離子體中心積累更強(qiáng)，相應(yīng)的輻射功率在整個(gè)H模的持續(xù)期間都增加了，致使H模在輻射功率達(dá)到加熱功率的60%就被終止了。在JET上，通過(guò)控制從X點(diǎn)注入氘的流量和從邊緣注入適量的雜質(zhì)鎳以改善H模的約束性能。這種低粒子約束H模（LPCH-mode,LowParticleConfinementH-mode）[Bures92,NF32，539]是在ECRH實(shí)驗(yàn)中得到的，其粒子約束比一般的H模至少小3倍；電子密度、氘密度和輻射功率均比H模的小，所以氘密度不會(huì)因雜質(zhì)的過(guò)多積累而進(jìn)一步稀釋，放電可以控制在較穩(wěn)定的狀態(tài)下。由于密度的減少，等離子體儲(chǔ)能減少約20%，但這種H?？梢栽谡麄€(gè)ECRH期間持續(xù)而不會(huì)被中斷。由于LPCH約束模式在等離子體邊緣具有較大的向內(nèi)對(duì)流速度，其粒子約束行為在小半徑為0.5<<0.8范圍內(nèi)具有類L模的粒子擴(kuò)散率，在邊緣具有H模的輸運(yùn)壘。此種放電類似邊緣局域模ELMs的作用，但在D上因沒(méi)有尖峰信號(hào)而具有無(wú)ELMs的H模放電特征。第四十八頁(yè)，共92頁(yè)。DIII-D上的甚高約束模式在DIII-D上通過(guò)對(duì)器壁進(jìn)行硼化處理，使雜質(zhì)內(nèi)流速度降低了約一個(gè)數(shù)量級(jí)，粒子再循環(huán)也非常小，獲得了一種新的比邊緣輸運(yùn)壘位置明顯內(nèi)移的甚高約束模式（VH－模）。[PRL67，3098]VH－模式是從無(wú)ELMs的H－模演化來(lái)的，條件是邊緣粒子源和雜質(zhì)源得到很好控制。其主要特征是粒子密度和溫度的陡變區(qū)域明顯內(nèi)移到約小半徑的0.7倍處。在內(nèi)部，粒子密度非常平坦而溫度梯度很大。VH一模的約束改善因子可達(dá)4以上，這種約束是瞬態(tài)的，在0.5s以后轉(zhuǎn)化為通常的H模放電。這主要是雜質(zhì)不斷積累及低n磁流體模發(fā)展的結(jié)果，內(nèi)部扭曲模的發(fā)展也可能起了作用。VH－模的輸運(yùn)壘仍然比較靠近邊緣，結(jié)果引起較大的邊緣區(qū)自舉電流。這一邊緣自舉電流使邊緣電流分布變平，通道加寬，通過(guò)實(shí)測(cè)電流和壓強(qiáng)分布進(jìn)行的氣球模分析證實(shí)了穩(wěn)定區(qū)的擴(kuò)展，甚至將第一穩(wěn)定區(qū)和第二穩(wěn)定區(qū)連成一片，導(dǎo)致氣球模被穩(wěn)定化。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入一輸運(yùn)程序計(jì)算后得出，在約束模式從具有ELMs的放電到無(wú)ELMs的放電，再到VH模的整個(gè)演化過(guò)程中，粒子的擴(kuò)散系數(shù)和離子的熱導(dǎo)率一直在減少，因此等離子體儲(chǔ)能不斷增加，能量約束時(shí)間不斷加大，形成了約束非常好的放電模式。第四十九頁(yè)，共92頁(yè)。TEXTOR上的輻射改善約束模密度在歐姆加熱的能量約束定標(biāo)中起主要作用，它在輔助加熱的L模放電中處于次要地位，等離子體電流成了主要的定標(biāo)參數(shù)。[NF39,1637]輻射改善約束模（RI-模）是比L模的能量約束有較大改善的一種放電模式。在這種放電條件下，密度再次成為主要的定標(biāo)參數(shù)而使約束可達(dá)到H-模放電的水平。RI－模放電是在ICRH和NBI注入條件下，加入少量的氖而形成的[NF34，825]，它與JET上的LPCH放電類似。此限定詞“輻射”是源于通過(guò)適量注入雜質(zhì)，輻射大量的功率，形成一個(gè)‘冷’的等離子體邊緣，RI－模式有助于解決聚變反應(yīng)堆的排灰問(wèn)題。此種RI－模與其它裝置上的種子雜質(zhì)注入改善約束的物理機(jī)制一樣，它通過(guò)增加有效電荷數(shù)和電子密度梯度來(lái)抑制ITG輸運(yùn)，主要是提高了激發(fā)ITG的臨界梯度和電場(chǎng)剪切壓縮。第五十頁(yè)，共92頁(yè)。輻射改善約束模的主要特性RI－模放電與反應(yīng)堆的要求條件是相容的在等離子體密度接近Greenwald密度極限時(shí)，約束可達(dá)到無(wú)ELMs或有ELMs的H模水平。邊緣的輻射可達(dá)輸入功率的95%在TEXTOR-94上，RI－模的等離子體比壓值可達(dá)到極限值（歸一化N=2或極向p=1.5）少量的雜質(zhì)注入對(duì)中子的產(chǎn)額影響可忽略。在高密度條件下，等離子體的一個(gè)品質(zhì)參數(shù)fL89/q可高達(dá)0.8，fL89是約束改善因子，與H因子一樣。第五十一頁(yè)，共92頁(yè)。JT-60U上的氬雜質(zhì)注入改善約束能量約束改善因子通常隨密度增加而下降在JT-60U上，為了在高密度條件下得到改善約束和增強(qiáng)輻射損失的放電，注入少量的惰性氣體氬到ELMyH－模的等離子體中，通過(guò)控制氬的送氣量，可以反饋控制邊緣的輻射損失功率。在ne<0.7nG，總輻射損失小于0.8Pnet（Pnet是凈加熱功率）以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了ELMyH－模的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。在較低的氬送氣量下，電子密度可增加很多，邊緣再循環(huán)可以一直保持較低，放電時(shí)間延長(zhǎng)，輻射損失功率增加了10%。當(dāng)ne=0.7nG時(shí)，輻射損失功率達(dá)到了80%，H因子從沒(méi)有氬注入時(shí)的1增加到1.4[Kubo,NF41,227]

。第五十二頁(yè)，共92頁(yè)。雜質(zhì)注入改善約束的機(jī)理與RI模不一樣，氬注入并不引起等離子體密度分布的太大變化，也就是注入前后密度分布幾乎保持不變?cè)贘T-60U上，在氬注入下整個(gè)等離子體通道內(nèi)的電子和離子的溫度都增加了，約束在中心和邊緣都得到了改善由于在高密度條件下，氬的注入可改善邊緣約束，為此人們認(rèn)為不同的邊緣結(jié)構(gòu)，如較高的邊緣離子溫度，可能是影響中心區(qū)約束的一個(gè)因素。也有人認(rèn)為雜質(zhì)的注入削弱了離子溫度梯度模，由此改變了等離子體的約束模式。在反剪切位形放電條件下注入氖到偏濾器區(qū)，得到輻射損失分額大于0.8的高約束狀態(tài)（H89PL＝2），此時(shí)的ne>0.7nG；高密度的低溫偏濾器等離子體處于脫欄狀態(tài)，其密度達(dá)0.84nG，H因子為1.6，輻射損失率為0.7。氖的注入使內(nèi)部輸運(yùn)壘增強(qiáng)，約束改善。第五十三頁(yè)，共92頁(yè)。DIII－D上的EDAH-模改善約束DIII-D上的EDA(EnhancedD-Alpha)H-模是一種無(wú)邊緣局域模的放電[Greenwald2000,PPCF42,A263]

在無(wú)ELM的H－模放電中，存在雜質(zhì)積累問(wèn)題。雜質(zhì)的積累使中心輻射功率增加，約束易于退回到L模狀態(tài)。在EDA放電中，通過(guò)增加邊緣密度擾動(dòng)，使雜質(zhì)約束變壞，但能量約束僅比無(wú)ELMs的H模減少了10%。在Prad/Pin<30%的條件下，EDA還能達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，EDA放電并不使偏濾器上的熱和粒子通量發(fā)生太大的增加，有時(shí)當(dāng)N>1.2時(shí)，在EDA期間可觀察到小的ELMs活性。出現(xiàn)EDA放電的條件是中心壓強(qiáng)很高（或大的等離子體密度），q95>3.5，三角形變因子在0.35<<0.55范圍內(nèi)。EDA放電與JET上的低粒子約束模LPCH，DIII-D上的II型ELMs模和JT-60U上的小ELMs放電類似。第五十四頁(yè)，共92頁(yè)。負(fù)磁剪切位形改善約束模式目前最好的穩(wěn)態(tài)托卡馬克約束改善模式是在JT－60U上觀測(cè)到的高PH模式[NF39，1627]和各種負(fù)剪切位形放電。TFTR上的負(fù)剪切增強(qiáng)約束模式[PRL75，4417]，DIII-D上的中心負(fù)剪切模式[NF36，1271]，JT-60U［PoP4,1623]和JET［PPCF39，B1］上的內(nèi)部輸運(yùn)壘位形（ITB）均是以負(fù)磁剪切位形為基礎(chǔ)的幾種類似的改善約束模式。負(fù)磁剪切位形是在等離子體中心形成負(fù)的磁剪切區(qū)，其安全因子q的分布函數(shù)不再是單調(diào)下降的分布，且具有高的自舉電流分額。第五十五頁(yè)，共92頁(yè)。負(fù)磁剪切位形改善約束的特點(diǎn)負(fù)磁剪切位形的約束特點(diǎn)是在電子和離子的溫度及密度剖面上，觀測(cè)到在某一有理面附近（r/a0.6）存在一個(gè)梯度變化非常大的內(nèi)部輸運(yùn)壘ITB。在ITB區(qū)域內(nèi)，電子和離子的輸運(yùn)系數(shù)急劇減少，有時(shí)其擴(kuò)散系數(shù)和離子熱導(dǎo)率已接近新經(jīng)典理論值。在等離子體內(nèi)部區(qū)域形成了一個(gè)輸運(yùn)屏障，也就是ITB位置以內(nèi)的能量被有效約束住了。負(fù)磁剪切位形的形成過(guò)程如下：在放電初期使環(huán)電流有一較快的上升，同時(shí)加入適當(dāng)?shù)闹行允β什⑿纬芍锌盏碾娏鞣植迹陔娏鬟_(dá)到平頂后，再大量增加中性束功率來(lái)獲得高參數(shù)等離子體。初期的中性束注入只是使電子溫度很快提高，形成一個(gè)中空的電流分布；后期的高功率NBI使等離子體壓強(qiáng)梯度迅速加大，中心區(qū)的粒子密度很快提高，這兩種效應(yīng)都使自舉電流比例加大，負(fù)磁剪切位形得以長(zhǎng)時(shí)間維持。這種運(yùn)行模式能同時(shí)具有中心負(fù)磁剪切和非常峰化的密度分布。第五十六頁(yè)，共92頁(yè)。雙輸運(yùn)壘的約束改善模式為了形成同時(shí)具有內(nèi)部輸運(yùn)壘和邊緣輸運(yùn)壘的雙輸運(yùn)壘，需要避免中心加熱功率過(guò)分集中，壓強(qiáng)梯度過(guò)陡所導(dǎo)致的比壓極限崩塌，它會(huì)使放電在高約束狀態(tài)終止。在JT-60U上，有兩種方法可建立雙輸運(yùn)壘[NF39，1627]：一種是適當(dāng)減少電流上升段的中性束加熱功率，以防止過(guò)早建立強(qiáng)的內(nèi)部輸運(yùn)壘，在較弱的負(fù)磁剪切位形下，強(qiáng)功率注入，先形成邊緣輸運(yùn)壘，再逐漸形成內(nèi)部輸運(yùn)壘另一種是在ITB形成后，通過(guò)改變切向中性束注入來(lái)改變等離子體的環(huán)向旋轉(zhuǎn)而激發(fā)邊緣輸運(yùn)壘。在雙輸運(yùn)壘放電中，在三角形變因子為0.3的情況下，HITER89P達(dá)到1.7，N達(dá)到1.2，儲(chǔ)能為3MJ，實(shí)現(xiàn)了持續(xù)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電，放電持續(xù)時(shí)間達(dá)5.5s（18倍E），有的放電N可達(dá)2.3。第五十七頁(yè)，共92頁(yè)。強(qiáng)負(fù)剪切的ITB放電中，JT－60U和DIII－D的Te、Ti、q分布第五十八頁(yè)，共92頁(yè)。強(qiáng)負(fù)剪切放電中，JET上的ITB放電中的Te、Ti、q分布第五十九頁(yè)，共92頁(yè)。DIII-D上ITB放電的參數(shù)分布(a)負(fù)剪切等離子體(IP=1.3MA、BT=3.7T、q95=4.9–5.2和HHy2<1.6)分布(b)弱正剪切等離子體(IP=1.0MA、BT=2.0–3.8T、q95=3.7–6.3和HHy2<1.0)的Ti、Te

和q分布（上圖)，ni、ne、nHe和nC的分布(中圖)，ne和nAr分布（下圖）。第六十頁(yè)，共92頁(yè)。ITB改善約束的分類在負(fù)磁剪切位形中，ITB是改善約束的關(guān)鍵所在。在ITB薄層內(nèi)，溫度梯度變陡，電子和離子的熱擴(kuò)散同時(shí)減少，通過(guò)研究徑向電場(chǎng)分布，人們發(fā)現(xiàn)足夠強(qiáng)的EB流剪切可能抑制了微觀不穩(wěn)定性。通過(guò)理論分析和輸運(yùn)計(jì)算清楚表明，在ITB內(nèi)，Er剪切明顯增強(qiáng)，熱擴(kuò)散率可減少至新經(jīng)典水平。在ITB區(qū)域內(nèi)的EB剪切率與高n的環(huán)向漂移模的線性增長(zhǎng)率一樣大，表明EB流在極向方向能抑制微觀不穩(wěn)定性。人們常將ITBs分成拋物線型ITB（ITB以內(nèi)的剖面分布呈拋物線型）和方型ITB（ITB以內(nèi)的剖面分布很平），在ITB處分布突然減少。對(duì)于拋物線型ITB，熱擴(kuò)散系數(shù)在整個(gè)中心區(qū)域均減少，但Er剪切（dEr/dr）不大。對(duì)于方型ITB，Er和的變化均發(fā)生在很窄的ITB區(qū)域內(nèi)，在此區(qū)域內(nèi)Er剪切很強(qiáng)，可減少至新經(jīng)典水平，估計(jì)此時(shí)的EB剪切率EXB大于漂移微觀不穩(wěn)定性線性增長(zhǎng)率。第六十一頁(yè)，共92頁(yè)。高極向比壓的約束改善模式對(duì)于高極向比壓（P）放電[NF39，1627]，其q(r)是單調(diào)下降函數(shù)，中心q大于1，在具有中心電流驅(qū)動(dòng)條件下，被認(rèn)為是有利于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的位形結(jié)構(gòu)。在同樣的等離子體參數(shù)下，高極向比壓意味著較小的環(huán)電流，如果這種位形具有好的穩(wěn)定和輸運(yùn)特性，對(duì)減少反應(yīng)堆的工程壓力是有利的，同時(shí)也有利于減少穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所要求的非感應(yīng)驅(qū)動(dòng)電流。對(duì)于要求同時(shí)達(dá)到高約束、高、高自舉電流分額以及有效的熱和粒子排除的穩(wěn)定運(yùn)行等離子體，高P放電可達(dá)到具有高P的ELMyH模的持續(xù)高約束等離子體，其HITER89P1.7，Ti(0)10keV，N1.8，總的輸入功率達(dá)到203MJ，為JT-60U上的一個(gè)高參數(shù)放電記錄。在這種大功率注入條件下，相應(yīng)的碳雜質(zhì)和氘的再循環(huán)并沒(méi)有增加。第六十二頁(yè)，共92頁(yè)。在高βp模式放電中用ECRH排除氬ECRH前和期間的電子密度分布(a)氬密度nAr分布(b)電子溫度分布(c)離子溫度分布(d)第六十三頁(yè)，共92頁(yè)。高極向比壓的放電控制高極向比壓放電位形是在高功率加熱以前，突然將環(huán)向電流大幅度降低，使得加熱過(guò)程中的等離子體內(nèi)感加大，電流密度進(jìn)一步峰化，結(jié)果使低n磁流體模得到抑制，極向比壓或歸一化比壓進(jìn)一步提高。由于低n電阻性模的作用，長(zhǎng)時(shí)間放電達(dá)到的N（N2可維持59s）比短時(shí)間放電所能達(dá)到的N（N3.2已接近于理想極限）小，所以對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間維持高PELMyH模的極限明顯低于理想MHD極限，增加等離子體三角形變和電子密度有利于提高長(zhǎng)時(shí)間放電的穩(wěn)定性。對(duì)于這種高PH模放電，在三角形變因子很大的條件下，=0.5，P=1.8時(shí)，從電子溫度、密度、離子溫度分布上也可觀察到內(nèi)部和邊緣的雙輸運(yùn)壘，此時(shí)ITB出現(xiàn)在正磁剪切區(qū)，而不在出現(xiàn)在負(fù)磁剪切區(qū)。第六十四頁(yè)，共92頁(yè)。同位素效應(yīng)改善約束在TFTR上通過(guò)各種氘D和氚T放電廣泛研究了同位素的約束改善，此改善出現(xiàn)在峰化密度的超級(jí)放電(E<A>0.85)和高內(nèi)感放電中，以大幅度增加中心離子能量約束為主。在密度分布變寬的高NBI功率加熱L模放電中，以DT為等離子體的放電比用D等離子體的熱能多了12-25%（E<A>0.5）。在4MW的ICRF加熱L模放電中，DT等離子體的總能量比D等離子體的增加了8-11%（E<A>）。在L模和超級(jí)放電中為了維持相同的溫度，D比T的等離子體所需要的加熱功率多30%。在超級(jí)放電中所觀察到E<A>0.85的同位素效應(yīng)主要是由于離子熱擴(kuò)散率下降i<A>-1.8的關(guān)系。當(dāng)固定離子溫度，i隨A的增加而減少。在密度峰化的孔欄H模放電中，也觀察到此同位素效應(yīng)。通常認(rèn)為Er剪切在氚中比氘中更具有穩(wěn)定各種模的作用。但在歐姆放電、負(fù)磁剪切放電、增強(qiáng)的負(fù)磁剪切放電中沒(méi)觀察到同位素效應(yīng)改善能量約束。第六十五頁(yè)，共92頁(yè)。等離子體位形和分布與約束改善在DIII-D上[NF39,1785]，人們通過(guò)控制等離子體形狀來(lái)控制邊緣壓強(qiáng)梯度和自舉電流，以此優(yōu)化等離子體形狀和宏觀參數(shù)。當(dāng)?shù)入x子體位形呈適當(dāng)?shù)姆叫螘r(shí)，具有環(huán)向模數(shù)n=29的快增長(zhǎng)率-1=20-150s的磁擾動(dòng)經(jīng)常先于第一個(gè)大的I型ELM出現(xiàn)，幾乎接近高n理想氣球模第二穩(wěn)定區(qū)。邊緣不穩(wěn)定性隨邊緣壓強(qiáng)梯度和自舉電流的增加而增強(qiáng)，通過(guò)控制等離子體的形狀可讓邊緣參數(shù)進(jìn)入氣球模第二穩(wěn)定區(qū)，從而改變ELM的幅值和頻率，通過(guò)避免接近氣球模第二穩(wěn)定區(qū)來(lái)降低邊緣不穩(wěn)定性。在ECRH實(shí)驗(yàn)中[NF39,1807]，觀察到電子的能量約束時(shí)間隨拉長(zhǎng)比的增加而增加，部分原因是等離子體電流隨拉長(zhǎng)比的增加而增加。通常在低功率注入條件下，三角形變對(duì)約束的影響較強(qiáng)，并隨功率的增加此影響變?nèi)?。第六十六?yè)，共92頁(yè)。在不同三角度δ時(shí)，相對(duì)于經(jīng)驗(yàn)H－模定標(biāo)的約束增強(qiáng)因子H98隨ne/nG的變化。左圖是JET，右圖是AUG第六十七頁(yè)，共92頁(yè)。人類生活對(duì)能源的需求核聚變及受控核聚變?cè)淼入x子體約束的基本問(wèn)題等離子體約束的各種模式等離子體輸運(yùn)與能量約束定標(biāo)約束改善與邊緣局域?？刂瓶偨Y(jié)和討論內(nèi)容摘要第六十八頁(yè)，共92頁(yè)。經(jīng)典和新經(jīng)典等離子體輸運(yùn)聚變等離子體的各種基本參數(shù)都是空間位置的函數(shù)，如粒子密度和溫度通常隨等離子體半徑增加而單調(diào)下降。這種參數(shù)的不均勻分布使得等離子體的粒子和能量通過(guò)擴(kuò)散和對(duì)流而損失，這種損失過(guò)程就叫等離子體輸運(yùn)。聚變等離子體輸運(yùn)既包括各種宏觀磁流體不穩(wěn)定性又包括微觀不穩(wěn)定性引起的反常擴(kuò)散和對(duì)流。在沒(méi)有任何不穩(wěn)定性時(shí)，環(huán)向?qū)ΨQ的等離子體輸運(yùn)可用新經(jīng)典輸運(yùn)理論來(lái)描述。新經(jīng)典輸運(yùn)理論描述的環(huán)形等離子體，由于粒子的漂移會(huì)使擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率比直柱位形大一個(gè)量級(jí)以上。普菲爾許和施魯特定量地證明擴(kuò)散系數(shù)將增加到（1+q2）倍，這里q是安全因子，它只適用于高碰撞的流體等離子體。在碰撞很低時(shí)，計(jì)算發(fā)現(xiàn)在弱碰撞區(qū)中捕獲粒子的行為對(duì)輸運(yùn)起主要作用，其值比通行粒子增加-3/2倍,還認(rèn)識(shí)到在‘流體’區(qū)向弱碰撞區(qū)過(guò)渡時(shí)出現(xiàn)一個(gè)‘平臺(tái)’區(qū)，此區(qū)域的擴(kuò)散和熱導(dǎo)系數(shù)都與碰撞頻率無(wú)關(guān)。第六十九頁(yè)，共92頁(yè)。磁約束等離子體的反常輸運(yùn)經(jīng)過(guò)幾十年的研究新經(jīng)典理論已經(jīng)很成熟，但用此理論計(jì)算出來(lái)的粒子和能量的輸運(yùn)系數(shù)與實(shí)驗(yàn)值相去甚遠(yuǎn)，特別是電子的熱輸運(yùn)系數(shù)與理論值相差約兩個(gè)量級(jí)，通常將其稱為反常輸運(yùn)。最近的研究表明反常輸運(yùn)主要是等離子體中的湍流擾動(dòng)和各種不穩(wěn)定性使粒子和能量的損失增強(qiáng)，這種增強(qiáng)是通過(guò)擾動(dòng)使粒子和能量橫越磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，或通過(guò)破壞托卡馬克磁場(chǎng)位形而引起的。如何解釋反常輸運(yùn)是托卡馬克理論面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。人們認(rèn)為等離子體中的溫度和密度梯度可以激發(fā)起多種形式的集體相互作用模式，也存在各種微觀不穩(wěn)定模式或小尺度的宏觀不穩(wěn)定模式，在局部區(qū)域也可能存在較大尺度的宏觀不穩(wěn)定模式，這些都將影響總體能量約束。第七十頁(yè)，共92頁(yè)。決定托卡馬克輸運(yùn)的多個(gè)非線性反饋回路及其耦合的圖解第七十一頁(yè)，共92頁(yè)。反常輸運(yùn)與能量約束時(shí)間定標(biāo)律在實(shí)驗(yàn)中，由于對(duì)反常輸運(yùn)系數(shù)的預(yù)測(cè)不是很準(zhǔn)確,常常采用能量約束定標(biāo)律來(lái)預(yù)測(cè)整體約束時(shí)間。這些定標(biāo)律因受到對(duì)約束機(jī)制的理解而只能得到一些隨等離子體工程參數(shù)的不同定標(biāo)關(guān)系，還不能得到一種描述各種約束狀態(tài)的統(tǒng)一物理定標(biāo)規(guī)律。此外，由于受到某些基本參數(shù)測(cè)量的限制，如Zeff和Prad值的測(cè)量精度，使得定標(biāo)律在描述實(shí)際等離子體約束時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差。還有如建立定標(biāo)律時(shí)，其數(shù)據(jù)庫(kù)的準(zhǔn)確性、完備性等都會(huì)影響定標(biāo)律的可信性和普遍性。但在探索和描述復(fù)雜的等離子體約束行為時(shí)，定標(biāo)律也不失為一種可用的參考數(shù)據(jù)，且通過(guò)對(duì)某些定標(biāo)律的理解，人們還是可以得到一些對(duì)等離子體約束機(jī)理的理解。第七十二頁(yè)，共92頁(yè)。最常用的歐姆和輔助加熱能量約束定標(biāo)歐姆加熱條件下的Neo-Alcator能量約束定標(biāo)律 E(ms)=7.110-6R2.04(cm)a1.04(cm)ne(1013cm-3)qa0.5

輔助加熱下L-模放電的Kaye-Goldston能量約束定標(biāo)律 E(ms)=2.7710-5IP1.24(kA)R1.65(cm)a-0.49(cm)ne0.26(1013cm-3)Bt-0.09(T)Pin-0.58(MW)描述ITERL-模放電的ITER89-P能量約束定標(biāo)律 EITER89-P=0.048IP0.85(MA)R1.20(m)a0.3(m)ne0.1(1014cm-3)Bt0.2(T)Pin-0.5(MW)0.5Ai0.5

常用的具有ELMyH-模的ITER98熱能約束定標(biāo)率 th,98y2(s)=0.0562IP0.93(MA)Bt0.15(T)P-0.69(MW)ne0.41(1019m-3)Mi0.19R1.97(m)(a/R)0.580.78

上式定標(biāo)的物理描述為

第七十三頁(yè)，共92頁(yè)。HH98因子隨n/nG的變化第七十四頁(yè)，共92頁(yè)。ITER裝置的H模能量約束定標(biāo)律有ELM的H-模ITER98-P定標(biāo)律［ITER99，NF39,2204］ EELMy(s)=0.0365IP0.97(MA)Bt0.08(T)P-0.63(MW)ne0.41(1019m-3) Mi0.20R1.93(m)(a/R)0.230.67

上式的物理定標(biāo)律為：

無(wú)ELM的H-模ITER98-P定標(biāo)律 EELM-free(s)=0.0314IP0.94(MA)Bt0.27(T)P-0.68(MW)ne0.34(1019m-3)Mi0.43R1.98(m)(a/R)0.100.68

上式的物理定標(biāo)律為第七十五頁(yè)，共92頁(yè)。人類生活對(duì)能源的需求核聚變及受控核聚變?cè)淼入x子體約束的基本問(wèn)題等離子體約束的各種模式等離子體輸運(yùn)與能量約束定標(biāo)約束改善與邊緣局域?？刂瓶偨Y(jié)和討論內(nèi)容摘要第七十六頁(yè)，共92頁(yè)。邊緣局域模的特性對(duì)于改善邊緣約束的H－模，一種顯著的伴隨現(xiàn)象是出現(xiàn)邊緣局域模（ELM）［Doyle07，NF47，S90］。其主要表現(xiàn)為H（D）信號(hào)上重復(fù)出現(xiàn)的尖脈沖信號(hào)，它屬于一種特殊的非線性磁流體不穩(wěn)定性。對(duì)此不穩(wěn)定性的進(jìn)一步研究后，人們認(rèn)識(shí)到此種非線性現(xiàn)象具有多種形式，也存在無(wú)ELM的H-模。在ELM發(fā)生過(guò)程中，從邊緣區(qū)排出一定的能量、粒子、雜質(zhì)，ELM使約束變壞，無(wú)ELM的H－模有更高的H因子。無(wú)ELM時(shí)，由于雜質(zhì)離子總是比氫（氘）離子的約束更好，造成雜質(zhì)在中心區(qū)域的積累，聚變反應(yīng)率下降；雜質(zhì)輻射損失加大，電子溫度剖面改變，使H－模放電終止。若存在ELM的H模，由于ELM不斷排出進(jìn)入邊緣的雜質(zhì)，在較好的平衡控制下，H－模放電可以維持更長(zhǎng)時(shí)間。第七十七頁(yè)，共92頁(yè)。等離子體壓強(qiáng)徑向分布示意圖第七十八頁(yè)，共92頁(yè)。MISHKA代碼計(jì)算的JET放電穩(wěn)定性(a)陰影區(qū)是不穩(wěn)定的，數(shù)字表示計(jì)算的最不穩(wěn)定的環(huán)向模式數(shù)，兩條曲線表示在兩個(gè)通量面n=∞的氣球模穩(wěn)定性邊界，是歸一化壓強(qiáng)梯度，jped、j0分別是臺(tái)基和中心區(qū)域的電流密度。灰色區(qū)域表示表面或者扭曲不穩(wěn)定性區(qū)域。(b)邊緣穩(wěn)定性曲線以及可能解釋大的（I）和小的（II和III）ELM循環(huán)的示意圖。第七十九頁(yè)，共92頁(yè)。第一類邊緣局域模的特征對(duì)于具有ELMs的H－模放電，可以將其分為好幾類。第一類(typeI)ELMs的頻率fELM隨加熱功率Pin的增加而增加，沒(méi)有磁先兆信號(hào)，但在此ELMs以前有很長(zhǎng)的磁場(chǎng)和密度的漲落信號(hào)增加的過(guò)程。理想氣球模分析顯示，在等離子體邊緣總是接近穩(wěn)定區(qū)的極限。在D信號(hào)上，typeIELMs表現(xiàn)為獨(dú)立的一系列尖峰信號(hào)。當(dāng)外加功率超過(guò)1.5-2倍L－H模轉(zhuǎn)換閾值功率時(shí)，很容易觀測(cè)到typeIELMs在更低的輸入功率或者高密度下，typeIELMs將被后面所述的typeIIIELMs代替第八十頁(yè)，共92頁(yè)。第二類邊緣局域模的特征第二類ELMs是等離子體參數(shù)處于氣球模第I和II穩(wěn)定邊界區(qū)的交匯處，fELM不依賴于Pin，無(wú)磁先兆信號(hào)，其主要特征是高的臺(tái)基壓強(qiáng)與高頻的無(wú)規(guī)則的小ELMs同時(shí)共存。研究typeIIELMs的興趣起因于其等離子體的整體特性：爆發(fā)ELMs時(shí)的瞬時(shí)功率負(fù)荷極大地下降，高的穩(wěn)態(tài)密度（0.85-0.95nG）,好的整體約束（H98(y,2)~0.95，與typeIELMs比較，約束下降小于10％），無(wú)雜質(zhì)積累。TypeIIELMs并不引起臺(tái)基溫度和密度分布的可觀測(cè)變化，因此，原則上與ITB是相容的。第八十一頁(yè)，共92頁(yè)。第三類邊緣局域模的特征第三類ELMs的頻率隨Pin的增加而減少，出現(xiàn)了磁先兆信號(hào)，它可描述ELM的發(fā)展過(guò)程。當(dāng)放電開始時(shí)，等離子體邊緣的壓力梯度遠(yuǎn)低于理想氣球模極限，當(dāng)加熱功率Pin增加到L－H模轉(zhuǎn)換的閾值功率Pth時(shí)，出現(xiàn)了第三類ELMs，且fELMs隨Pin的增加而減少。隨著功率進(jìn)一步增加，ELMs消失，出現(xiàn)無(wú)ELMs的H－模。在更高的Pin時(shí)，typeIELMs出現(xiàn)，其fELMs隨Pin的增加而增加。與typeIELMs比較，第三類ELMs放電具有更高的ELM頻率，每次ELM的功率損失更小，但是能量約束變差10－30％。第八十二頁(yè)，共92頁(yè)。第五類邊緣局域模的特征在低縱橫比的NSTX裝置上，在臺(tái)基壓強(qiáng)高于typeIII的ELMs時(shí)，觀測(cè)到小的快速的ELMs，被叫做typeV的ELMs，其密度趨向于緩慢增加。其能量約束與無(wú)ELM的H－模比較僅有微弱的下降，NSTX上H-模的臺(tái)基區(qū)域碰撞率大于1。在JT－60U裝置上的高三角度、高極向比壓的負(fù)磁剪切放電中，觀測(cè)到類似于typeII的草叢型ELMs，它的臺(tái)基壓強(qiáng)比第一類ELM的H－模要高，并沒(méi)有觀測(cè)到臺(tái)基參數(shù)分布的變化，只引起很低的連續(xù)功率損失。第八十三頁(yè)，共92頁(yè)。其它改善邊緣約束的模式在一些聚變裝置上還觀測(cè)到一些無(wú)ELMs的H-模放電，例如，在AlcatorC-Mod[NF37,793]裝置上觀測(cè)到的增強(qiáng)D的H－模（EDH），其突出特點(diǎn)是存在一個(gè)連續(xù)的準(zhǔn)