H托卡馬克歐姆放電時的電子熱輸運

HT-7托卡馬克歐姆放電時的電子熱輸運分析博士研究生：張先梅博士導師：萬寶年主要內容一、引言研究熱輸運的意義、方法和研究狀況二、HT-7裝置上電子能量平衡分析各能量項的實驗分析結果；電子熱擴散系數e的分布、與等離子體參數的關系;壁處理前后e的行為，以及與理論模型的比較。三、HT-7裝置上自舉電流的研究四、總結和展望一、引言（1）－研究熱輸運的意義等離子體約束與反常輸運的關系在20世紀80年代初，隨著托卡馬克實驗研究的深入，發(fā)現(xiàn)等離子體約束主要受反常輸運的制約，反常輸運是實現(xiàn)托卡馬克聚變的一個主要障礙。輸運與約束息息相關。人們近似地給出總體能量約束時間E與e的關系式：

2、輻射損失對聚變的影響

輻射損失是電子能量平衡方程中一個重要組成部分。雜質對主等離子體的影響主要有兩方面：第一，輻射能量并影響等離子體中參數的空間分布以及等離子體的總體能量約束時間，使約束等離子體很難達到收支平衡；第二，使工作元素的離子密度稀釋，從而影響聚變反應功率密度。雜質輻射與約束模式的關系雜質輻射與等離子體密度的關系3、聚變實現(xiàn)的條件

在聚變研究中，一個非常有意義三乘積：neTeτE。要想達到點火條件必須滿足：過去的30年三乘積neTeτE的變化情況。在過去的20年，DIII-D得到的好約束模式的變化情況。由于輻射、反常輸運等能量損失，使該點火條件很難滿足。引言（2）－研究熱輸運的方法分析全局量E、內能W定標；從實驗角度分析局部輸運系數D，e，i與等離子體宏觀參數的關系；由理論模型得到D，e，i,E，解輸運方程，計算出等離子體參數如密度、溫度等，與實驗值作比較。局部熱輸運的實驗研究研究方法熱流平衡分析(PowerBalance)調制輸運分析（ModulatedTransport)

其方法是利用輸運方程中含時間變量項，通過調制源項，在實驗上測量與時間有關的一項。目前產生調制源項的主要方法有：自身產生的鋸齒熱脈沖傳播用ECRH產生局部能量擾動彈丸注入來調制溫度epb、ehp比較

裝置ehp/epb

ASDEX3(鋸齒:ST) DIII-D～1(ECRH) DITE～1(ECRH) FTU1.5～2.2(ST) ISX-B～1(ST) JET2.5(ST) JT-60U2-4(ST) RTP2-4(ST,ECRH) TEXT2.25(ST) TFTR1-10(ST) TORESUPER2.5-3.5(ST) W7-AS1-1.5(ECRH)引言（3）－輸運研究基礎的發(fā)展加熱和電流驅動的發(fā)展等離子體加料技術的發(fā)展壁處理技術的發(fā)展實驗診斷的發(fā)展計算機能力的發(fā)展引言（4）－約束模式及實驗研究情況約束模式對輸運的改變對漲落的影響H-mode[88][89]邊界輸運壘形成，e,e和De降低，H～2。等離子體邊界漲落被抑制，中心的相關長度減小。雜質模如RI-mode[90]等在NBI時，e和De降低，H～1.8。磁場漲落降低，密度漲落沒有變化。PEP模[25]e比Alcator定標小三倍，i降到新經典值。不是很清楚。熱離子模：Supershot[91]e,i和降低，e降低最多，H～2。密度漲落緩慢增大，相關長度降低。VH－mode[92]邊界輸運壘加寬，e,i和De降低。密度漲落消失。高-modes[93]高-mode：H～2－3高＋H－mode:H=3.6磁場漲落降低高li模[94]H～3，有的Hli不清楚。反剪切模(RS)[95]H～2.5密度漲落抑制提高的反剪切模(ERS)[96]內部輸運壘的形成，i和De是新經典值，e降低。等離子體中心漲落被抑制。二、HT-7托卡馬克電子能量平衡分析

PoH:歐姆輸入功率Prad:輻射損失Pcond:熱傳導損失Pconv:熱對流損失Pei:電子轉移給離子的能量：Spitzer或新經典電阻率ei:電子和離子碰撞頻率(1)(2)(3)(4)(5)能量平衡分析所需的實驗診斷Te由ECE測量；ne由5道遠紅外干涉儀測量，經Abel變換得到其分布；Ti是10道中性粒子能譜儀測量；分布認為與Te相同；輻射損失用16道Bolometer測量，經Abel變換得到其分布；Zeff由4道韌致輻射測量；Ip和Vf用線圈測量；雜質的弦平均輻射強度由轉鏡測量，經Abel變換得到其體發(fā)射系數分布。歐姆功率的計算Zeff取常數。輻射損失隨等離子體中心弦平均密度、電流的變化隨密度的變化

（Ip=130KA,Bt=1.8T）O---------硅化后50炮以內的值，Δ--------硅化后放電250炮后的值，--------硅化前的值。隨放電電流的變化

(，Bt=1.84T）o---------硅化后的值，*---------硼化后的值。

一般認為，De=Dim,ve=vim。我們用雜質輸運程序擬合實驗測量的雜質離子體發(fā)射系數。熱對流損失計算（1）以典型炮號34258#的0.4s時刻為例(Ne(0)＝1.51013/cm3，Ip=140kA）熱對流損失計算（2）－擬合結果擬合OV體發(fā)射系數的峰值擬合CIII體發(fā)射系數的峰值熱對流損失計算（3）+-------PoH

o-------Pconv

100電子各能量損失項占總歐姆輸入功率比例熱輸運項(主要是傳導項）占64％左右；輻射損失約占20％；與離子碰撞轉移給離子的約16％。e的分布及誤差分析（1）假設環(huán)電壓5％的誤差，Zeff有20％的誤差，密度有10％的誤差，溫度有10％的誤差時計算的結果。其中1/2a處約為25％。通過改變各參量誤差大小，結果發(fā)現(xiàn)e對電子溫度的誤差最敏感。在同一炮放電的平頂段，e值也比較平穩(wěn)。e的分布及誤差分析（2）不同的斬離子溫腰度分布林對e的分布影碑響不大。e的分布何及誤差欲分析（搬3）硅化前后e行為的霧比較硅化后民,e主要在諒r>0挺.5a啊區(qū)域內擋降低。硼化前蘿后e行為的比較硼化后，e在整個魚等離子爛體內均建降低。e(r=程0.5敗a)隙隨Ne(0)尼的增大雀而降低(Ip柿=14旅0kA趴,B明t=1逐.8T瞎)(Ne(0派)=1.0籍,Bt援=1.8葵4T)e(r=耗0.5械a)錄隨Ip的艙增大而純增大e(r=0蝕.5a)田隨Bt的增大而刃降低e與歐姆情勾況下的定版標比較INT買OR沫定標Mer豆ezh電kin抱定標Copp夕i-Ma堤zzuc除ato定天標能量約束繁時間隨Ne(0)溫和I客p的變化能量約秤束時間甩實驗值紙與忽略鳳輻射損橡失后由季經驗公謹式估算值蘇的比較。（?---巡壽-為實鞏驗數據色計算的滅的值，o---移-由照估算加的值）e與新經億典理論工模型的幫比較反常輸運帶目前提出緩的主要原槍因及模型漂移波不雖穩(wěn)定性靜電漂興移波模園型在低條件下毫，磁場禁擾動B1～0，這乖時的漂移尚波是靜電洞型；包罵括通行粒溫子的漂移費不穩(wěn)定性成和捕獲粒寧子不穩(wěn)定艇性。電磁漂移酷波模型一般地，淹當呈時電磁職漂移波比嘴較重要起疾來；如H昂orto醉n電磁奸漂移波模淹型，Pa盯rail妖電磁漂移斃波模型等彈。磁擾動引交起的不穩(wěn)浮定性比較大的府徑向磁擾蛛動使磁場增結構的破卡壞，引起矩比較大的貞橫向輸運勸；模式主頑要有：微襯撕裂模、臂電阻性壓累強梯度模嫩(氣球模搬)等。硅化前e與理論模營型的比較等離子體蹤蝶中心比較腿符合Hor截ton欺電磁內漂移波紗模型：e~在邊界比妨較符合酷Para鐵il電搏磁漂移波缺模型：e~硅化后e與理論春模型的弓比較在等離煌子體中綢心仍侄然比較極符合H疲ort續(xù)on模憐；在r>0漁.5a眉區(qū)域，鍋Walt區(qū)z靜電漂剝移波比較拾符合實驗屈值。e~硼化后e與理論停模型的穴比較在r<練0.8張a區(qū)域買內均比較單符合Ho帶rton唯電磁漂移暗波模型。硅化后e實驗值與他Walt刪z模型得梁到的值隨密度我、電流應變化比汗較符號‘?’貧,‘o’為能量平意衡分析得述到的值，賠實線為W拒altz怎模型計喇算得到的允值。三、HT典－7托瘋卡馬克等煉離子體中炭自舉電流軌的研究有關自蓄舉電流朋從以下趟幾點來強討論：其它裝置帽上自舉電抹流的實驗君驗證自舉電流溫的估算公蔽式HT-7秧裝置硅化宋后自舉電撒流的研究HT-收7裝置蛾硼化后糖自舉電陣流的研久究其它裝份置上自尾舉電流怨的實驗雁證實TFTR切在高p值放電時倍等離子體琴表面環(huán)電惡壓隨時間懼的變化與姓TRAN絮SP程序數預言的值知的比較。(a)閱僅有歐價姆電流員，(b)包艦括束電流腫加歐姆電饒流，(c)包化括束電流污、歐姆電末流加自舉婆電流。a游ba.青JET灘裝置上適的測量進電流與激束驅動棕電流的污比較。b.測留量的電流證與束驅動惹電流加自濃舉電流后桿的比較。小逆環(huán)霸徑比的襲ETE攻托卡馬僚克裝置補上的自床舉電流拒占總電散流的比云例隨p值的變介化。未隨p的增大，框自舉電流版的比例增錘大。自舉電拐流估算野公式（1）（2）（3）（4）（5）HT-7霜裝置硅化鼠前后自舉照電流的研境究硅化前翅后兩典們型炮號飼的密度列分布硅化前后般兩典型炮話號的溫度挑分布硅化前后翁兩典型炮隨號等離子沾體壓力分館布硅化前寶后兩典嫌型炮號錢的自舉勁電流分御布jbso---詞---硅見化前的情痰況+--吃---午--硅輸化后的醉情況硅化前扛后兩典蜻型炮號忠自舉電串流占總勾電流比柿例的分析布硅化前病后自舉謠電流的章研究情月況ShotNo.Time(ms)Ne(0)(1013)Ip(byexp.)kAIneo（kA)Ibs=Ip-IneokAIbs/Ip*295183170.928117.928113.235.9533.98%*294683001.43123.845120.013.8353.1%*339973501.51104.694102.971.7241.65%342673500.977139.2126.612.69.0%342812800.99158.96143.6915.299.6%342784001.04152.675141.4411.2357.36%343493001.245131.111219.114.5%344175001.551127.429111.2616.16912.69%343634401.552132.279110.6521.72916.41%309885002.393211.723183.3128.41313.42%前三炮為澤硅化前的倚放電，后慕面的均為畜幾次硅化鄙后的放電泛。硼化前紛后自舉告電流的剛研究硼化前載后兩典蘿型炮號造（29辭468宮＃，304秀48）密度亦、溫度乞分布硼化前后藍等離子體靠壓力的分形布硼化前后寒自舉電流功的分布o---貍----較-硼化前脅的情況，+---訂----糊---硼欄化后的情寫況。硼化前后粗自舉電流崖占總電流響比例的分激布情況硼化后自已舉電流的丸研究情況ShotNo.Time(ms)Ne(0)(1013)Ip(byexp.)kAIneo(bycompt.)kAIbs=Ip-IneokAIbs/Ip304485951.47154.478136.8817.59811.39%367243501.06127.2113.713.510%367444801.14151.573133.1718.412.14%367773001.082166.5144.721.813%367912800.974173.5147.725.814.8%四、總依結云（1）匆－能量辣平衡分冒析壁處理微后比壁拐處理前成輻射損撲失明顯餐降低，溉且占歐豪姆功率陡的比例窩隨等離欲子體中嫩心弦平敢均密度綢增大而慎增大，塞隨放電惹電流的賠增大而穗降低。電子與糕離子碰些撞轉移銳給離子號的能量粉約為歐蘇姆功率達的百分脾之十幾隆；熱對描流損失范比較小南可以忽丟略。HT-攪7裝置持上熱傳穗導損失裂是電子往能量損碰失的主炕要機制。e值沿小半徑饑逐漸增大強。在1/瘦2a處的桶值隨等離牛子體中心殊弦平均密礙度增大而散降低，隨烏放電電流盞的增大而吵增大，隨方縱場的增宴大而降低馬。硅化后，e值主要牽是在r左>0.齒5a范辛圍內降咳低；硼侄化后e值在整個拔區(qū)域內均姿降低。6.H爐T-7裝玻置上e值比I括NTO礎R定標多值小，診數值大耳小與M輛ere那zhk到in定澤標和C閣opp宗i-M較ere村zhi巧n定標買差不多洽，但比交兩個定歇標更依帖賴于密關度。7.樣能量約響束時間弄在所研赴究參數霉范圍內抓隨密度欠的增大灘而增大回，與等源離子體斜放電電艇流的關娛系不明屠顯。8.怕在r<乏0.5株a區(qū)域欄內，e值比較符警合Hor杏ton電趟磁漂移波衛(wèi)理論模型你；在r>倡0.5a元區(qū)域內，紹硅化前符易合Par倆ail電丹磁漂移波妹模型，硅扯化后，符葡合Wal職tz靜沸電漂移波釀模型。硼奔化后在r垮<0.8超a區(qū)域內弓，均比較陵符合Ho懇rton敵模型。自舉電流齒分布形狀呆來看：硅膨化和硼化綁后，等離系子體參數法分布在中眠心變寬，命靠近邊界裹的壓力梯當度變大，艦自舉電流餅的分布峰躬值靠近邊炭界。自舉電流撥分布占總倡電流分布糖來看：到葡邊界，壁挎處理后比德未做任何許壁處理前徐自舉電流得成分大，柏即壁處理溪后，靠近壁邊界，自妥舉電流分浙布對等離聰子體電流閉分布貢獻煎較大。自舉電險流積分織占總實掠驗放電椒電流比盤例來看袋：壁處精理后，絕HT－茶7裝置謠上的自笨舉電流里占總放傻電電流久的比例誤有增大匆的現(xiàn)象記，壁處獅理前，升不超過懶總電流癥的5％圍，但硼威化和硅熔化后達候到10斷％以上享。由于般邊界處完對應的甘半徑大原，從而木對面積靜分的貢企獻大，侮即自舉筍電流比棕例的增屈大主要休是來自龍等離子史體邊界棒的貢獻殺?？偨Y（眠2）－對陰HT-7紋裝置自舉額電流進行寫估算，得步到了比較杠滿意的結龍果。4.自怖舉電流成葡分與等離溉子體壓強淋梯度關系輩密切，梯堅度越大，襖自舉電流蘭成分越大榮。本論文是從從實驗數陡據的分析針來研究自斤舉電流的農，確切的晌研究需要刺結合輸運盟程序，才余能給出完眾美、自洽克的結論。鑒但這些實然驗結論為繭以后更深兩入地研究鹿HT－7只、HT－鋪7U裝置凳自舉電流元提供了基派礎。1、盡棋可能地況擴大研假究的實爭驗參數狡范圍；2、研究律輔助加熱修情況下的喪熱輸運；3、開發(fā)丟輸運程序遣，與實驗恐研究相互轟補充，進板一步對H穴T-7何裝置熱輸絲式運進行分圈析、理解格。研究磁約漏束裝置的柿熱輸運，應是比較復書雜而艱巨就的任務，螺例如電子外熱擴散系宰數的定標準，需要處奸理大量實斥驗數據，鄰且其它參夾數不變的恢情況下才悄能考察它歌與某一個拼參數的定撤量關系，壓但是參數登之間是相則互影響的史，很難實咳現(xiàn)各個量房誠獨立變化依。輸運的險研究需要繼從理論、實蕩驗以及計算模攝擬上同時易進行，含才能給漿出系統(tǒng)啞的比較艷準確的爹結論，其這需要司巨大的寄財力和窄人力。消希望更壟多的科擺研工作搶者加入責輸運研敢究的隊殿伍來推鄰動輸運墳研究的汪發(fā)展、秀推動我模們核聚付變事業(yè)光的發(fā)展旗！展市望博士期間杠發(fā)表的文丟章1.張偏先梅等,計算物威理,僻16,篇(1顏999關)6仿06。2.環(huán)Zha緩ng協(xié)Xia塞nme輪i,箏et俊al.蒸,P患las蔬ma刊sci開enc識ea冰nd倆Tec決hno扮log棚y,2,(耐2000擁)295荒.3.Z汁h(huán)ang鹿Xia姥nmei替,et傲al.抖,1stIAE煌AT痛CM/國AFE對RST虎,C夾hen突gdu爸,C聲hin閣a,伙Oct銅.30止~No臨v.3丹,(虧200緞0)D苦4.4.張梁先梅等,家物理亂學報，5跳0,(在2001寧)71門5.5.國Zha吳ng雄Xia屋nme歲i,悅et者al.露,C燒hin肢ese轟Ph誓ysi碎cs成Let臉ter慮s,梨18，漏(20終01)伯10燭90.6.W浙anB等aoni爆an,霉…Zhan拾gXi漿anme賣i,et慶al.澤,Nu耕cl.額Fusi蒸on,孤39,攤(199姑9)18照65.7.略J.S拾.M陵ao,懼J.拴Y.獸Zha鄰o,X.M屆.Z坐han惹g,e財ta紐奉l.,剪20那00昏Int敏ern駐ati島ona透lC胃onf剛ere性nce巨on趨Pl猾asm口aP鹽hys此ics價(I析CPP中)O案ct.息23箱,20今00,擋Qu扇ebe賠cC故ity梢,C其ana迅da.8.哄X.特Gao蜓,…X.幸M.改Zha熟ng,e吉ta干l.,跡Pl幻玉asm間aP敞hys慣.C適ont向r.評Fus同ion盛,4折1,薦(19晶99)輛134乖9.9.X辣.Ga比o,…X.M僅.Zh忽ang,e吩ta告l.乓,J京.N倒ucl扔.M揮ate貪r.,釣27鄉(xiāng)豐9,軟(20鉗00)帆330退.10.葛X.脊Ga洲o,陰…X.M壩.Zh鉤ang,e叮ta趕l.,停N累ucl佳ear摧Fu租sio紗n,閃40,基(2秀000冤)18冠75.11.標11愛.J恰.S桿.M服ao,認…X.M南.Z夠han鴨g,e頑ta園l.,究Nu忘cl.眼Fu聲sio傭n,抽已接收致縱謝首先衷越心感謝禮的是我飄的導師耳萬寶年摔研究員央。本論脂文工作捐是在他醉的悉心硬指導和皂嚴格要還求下完隱成的。鄙是他引蜻導著我驕從熟悉銜該課題赤的基礎劈燕知識開三始，一拌步步深鄰入地做藏下去。賢每次遇荒到問題對請教他膠時，萬之老師總遮能分析鹽得清晰礙簡潔，拆并把相益關知識富融會貫的通，加畜深我的徒理解、繞擴展我待的知識