第四章,等离子体约束和输运

ASDEX上的Ｈ模运转
Phys.Rev.Lett.49(1982)1408.
β p≤0.65R/a β p+li/2，比较H和L模
电子密度，气流量，偏滤器反射原子流，电子温度，β p
能量约束时间和电子密度，比较H和L模
改善约束模分类
边缘输运垒型ETB:H-mode 内部输运垒型ITB 反剪切或弱剪切:ERS,NCS 无反剪切:supershot,VH-mode 边缘辐射型:RI-mode,IL-mode
TFTR上的反剪切改善约束模(ERS)
Phys.Rev.Lett. 7591995) 4417 粒子和离子热扩散达到或低于新 经典输运值
电流和中性粒子注入功率波形
转换前后电子密度和压强分布
两个时刻的q轮廓
无反剪切的ITB改善约束模
DIIID硼化后的VH模
能量约束时间为ITER98定标率的3.5 倍，高的中心电子密度和离子温度， Zeff接近１，无反剪切．
鲁棒性，在很多装置的不同条件下得到 对壁的条件要求不高 平的中心密度轮廓，避免杂质和氦灰集中 高密度好的约束，电子离子温度接近 对电流轮廓没特殊要求
ELMs(Edge Localized Modes)
ELM：MHD触发的弛豫振荡,可导致边缘 处快的粒子和能量损失
II型，变形截面
ELM是一种边缘区扰动， 可能和杂质积累有关
改善L模(ASDEX-U)
边缘辐射型改善约束模
TEXTOR94上的RI模
Phys.Rev.Lett. 77(1996) 2487
加进1.5%的氖杂质，增加边界 区辐射，无功率阈值，无ELM
逆磁能量，加热功率，辐射功率，电子 密度，离子温度，增大因子示波图
实现Ｈ模的实验方法
电子回旋波 离子回旋波 中性粒子束注入 低杂波注入 偏压孔栏
H模的共同特征
Hα或Dα辐射减弱 边缘粒子流下降 边缘密度涨落减弱 边缘磁场涨落减弱 边缘电场梯度上升
已在托卡马克、串列磁镜、仿星器、球形环上实现
Ｈ模的特点（ITER选择原因）
2Bz a 2 q( a) 0 R0 I p
并设q为常数，
G
BT R 0.75 a1.63
P
更精确的ITER89-P定标律
ITER 89 P E 0.048 0.85 1.2 0.3 0.5 0.2 0.5 Ip R a (n / 1020 ) 0.1 BT Ai
P 0.5
定标律比较
改善H模(ASDEX-U)
Nucl.Fusion,45(2005)617
q0≥1，β N>2.5，ne/nGW≤0.85，中 心低的磁剪切
放电示波图： 电流 Dα辐射 中性注入功率 内感 β Ｎ 约束增大因子 相对密度
中心密度与平均密度比
约束增大因子与中心密度关系
离子热导和新经典理论比较
径向离子温度轮廓（中性粒子能谱），H，L模比较和时间发展
JET上DT运行ELM型H模
拟被ITER采用
归一化β 线平均ne
中心Te
Dα线 总聚变功率
反剪切和内部输运垒 （ITB）
DIIID中性注入 Tore-Supra低杂波驱动 JT-60
DIIID
DIIID上Ｌ模和Ｈ模对比，Ｈ模的电子热扩散率，离子热扩散率， 角动量扩散率都大大降低．
W 3 ne (Te Ti )V 2
Ｅ
可在电流平顶段取P=IUL计算能量约束时间τ 一维的能量输运方程
郑(6.1.3) 热扩散系数 热导率 a
热流 粒子流携带能量
加Leabharlann Baidu功率
3 a Ta 2
内能项
aTa
压强项
a na
电子和离子的输运
粒子α分量的输运方程
3 1 2 ( n T u ) t 2 2 3 1 2 [( n T u )u q P u ] j E R u Q x 2 2
存在临界密度，其定标律
代入定标率，得到饱和能量约束时间
sat E 0.0455 Ai BT Ra
Ｌ－模运转
实行辅助加热后，能量约束低于ＬＯＣ定标律的期望，称为Ｌ模， 其特征为低的温度和边界区温度梯度。Goldston定标律
G 0.037
利用
I p ( MA) R1.75 0.5 P( MW ) 0.5 a 0.37
n D n (r ) S t r r
D n n (r ) r r p
边界条件n(a)=0下的解
n(r ) n0 J 0 ( D p r ) n0 J 0 (
a2 a2 p 2 2.4 D 5.8D
2.4r ) a
能量扩散模型
dW W P dt E
第四章，等离子体约束和输运
引言 实验结果 L-H转换物理 能量约束定标律 粒子输运 动量约束
１，引言
一维流体输运方程
密度 动量 能量 极向 磁场 非对角项和非扩散项的作用
（Wesson4.6.24,4.6.25,Ware pinch effect ）
简单的粒子扩散模型
D=const
TEXTOR上的改善I-模
Nucl.Fusion 33(1993)284 圆截面，孔栏运转，硼化，中性注入
实验结果和ITER98定标率的比较
L模和I模电子密度和温度的轮廓
JET上的DT运行 中ITB的形成
Phys.Rev.Lett. 80(1998)5544. 这一放电的三乘积达到niTiτ E = 1×1021m-3· keV· s，并产生聚变 功率8.2MW，离子输运首次达到 新经典水平．
电子和离子的输运方程
T d 3 1 5 n ( neTe ) Phe LR Pei r ( e e De Te e ) dt 2 r r r 2 r
T d 3 1 5 n ( ni Ti ) Phi LCX Pei r ( i i Di Ti i ) dt 2 r r r 2 r
等离子体内的输运过程
和新经典理论的差距
经典输运
D e2 ei
i i2 ii
e e2 ee
新经典输运
实验结果较新经典理论： Ｌ－模：电子：大２个量级
离子：大１个量级
Ｈ－模：电子：仍然高 离子；接近
D 3 / 2 (e q(r ))2 ei
vt q (r ) 2 D e R
Ｉ型，压强驱动， 对约束影响小
III型，幅度小， 电流驱动，对约 束影响大
DIIID上几种运行模式的边 缘电子密度和温度
ASDEX上用反向中性粒子注入实现的改善约束模
其它ETB改善约束模
两个方向注入时极向比压随时 间变化，不同测量和计算方法
密度剖面随时间变化
电子热输运减少， 离子热输运达新经 典水平
辐射功率分布
RI模的特点
高约束，和Ｈ模一样 高β ,β N=2.1 高密度，0.7-1.2nGR 约束随密度线性增加 准稳态,160τ E 低q值,2.7
Greenwald密度极限
nGR (10 m )
20
3
I p ( MA)
a(m)
2
实验结果和
RI
ne ITER 93 P nGR
D ( e q(r ))2 ei
将差异归结于反常输运
可能影响输运的微观不稳定性
芯部主要湍流模式
离子温度梯度模
约束电子模 电子温度梯度模
非局域效应（自组织过程）
快时间尺度过程 参量剖面不变性
２，实验结果（见石秉仁和Wesson书） 欧姆加热一般结果
新Alcator定标律，在线性欧姆约束区