HT-7托卡马克欧姆放电时的电子热输运分析PPT课件.ppt

1、博士研究生：张博士研究生：张 先先 梅梅博士导师：万博士导师：万 宝宝 年年一、引言一、引言 研究热输运的意义、方法和研究状况研究热输运的意义、方法和研究状况二、二、HT-7装置上电子能量平衡分析装置上电子能量平衡分析各能量项的实验分析结果；各能量项的实验分析结果；电子热扩散系数电子热扩散系数 e的分布、与等离子体参数的关的分布、与等离子体参数的关 系系;壁处理前后壁处理前后 e的行为，以及与理论模型的比较。的行为，以及与理论模型的比较。三、三、HT-7装置上自举电流的研究装置上自举电流的研究四、总结和展望四、总结和展望等离子体约束与反常输运的关系等离子体约束与反常输运的关系在在20世纪世纪8

2、0年代初，随着托卡马克实验研究的年代初，随着托卡马克实验研究的深入，发现等离子体约束主要受反常输运的制约，深入，发现等离子体约束主要受反常输运的制约，反常输运是实现托卡马克聚变的一个主要障碍。输反常输运是实现托卡马克聚变的一个主要障碍。输运与约束息息相关。人们近似地给出总体能量约束运与约束息息相关。人们近似地给出总体能量约束时间时间 E 与与 e 的关系式的关系式 ： eECa22、辐射损失对聚变的影响、辐射损失对聚变的影响 辐射损失是电子能量平衡方程中一个重要组成部分。辐射损失是电子能量平衡方程中一个重要组成部分。杂质对主等离子体的影响主要有两方面：杂质对主等离子体的影响主要有两方面：第一，

3、辐射能量并影响等离子体中参数的空间分布以及等第一，辐射能量并影响等离子体中参数的空间分布以及等离子体的总体能量约束时间，使约束等离子体很难达到收离子体的总体能量约束时间，使约束等离子体很难达到收支平衡；支平衡；第二，使工作元素的离子密度稀释，从而影响聚变反应功第二，使工作元素的离子密度稀释，从而影响聚变反应功率密度。率密度。杂质辐射与约束模式的关系杂质辐射与约束模式的关系杂质辐射与等离子体密度的关系杂质辐射与等离子体密度的关系3、聚变实现的条件、聚变实现的条件在聚变研究中，一个非常有意义三乘积：在聚变研究中，一个非常有意义三乘积：neTeE。要想达。要想达到点火条件必须满足：到点火条件必须满足

4、：过去的过去的30年三乘积年三乘积neTeE 的变化情况。的变化情况。在过去的在过去的20年，年，DIII-D得到得到的好约束模式的变化情况。的好约束模式的变化情况。由于辐射、反常输运等能量损失，使该点火条件很难满足。由于辐射、反常输运等能量损失，使该点火条件很难满足。keVsmTnE 分析全局量分析全局量 E、内能、内能W定标；定标； 从实验角度分析局部输运系数从实验角度分析局部输运系数D， e ， i 与与等离子体宏观参数的关系；等离子体宏观参数的关系； 由理论模型得到由理论模型得到D， e ， i , E，解输运方程，解输运方程，计算出等离子体参数如密度、温度等，与实计算出等离子体参数如

5、密度、温度等，与实验值作比较。验值作比较。热流平衡分析热流平衡分析(Power Balance)调制输运分析调制输运分析（Modulated Transport) 其方法是利用输运方程中含时间变量项，通过调其方法是利用输运方程中含时间变量项，通过调制源项，在实验上测量与时间有关的一项。目前制源项，在实验上测量与时间有关的一项。目前产生调制源项的主要方法有：产生调制源项的主要方法有：自身产生的锯齿热脉冲传播自身产生的锯齿热脉冲传播用用ECRH 产生局部能量扰动产生局部能量扰动弹丸注入来调制温度弹丸注入来调制温度cxconvcondradRFNBIohmQQQQQQQ 装置装置 ehp / epb

6、ASDEX 3 (锯齿锯齿:ST) DIII-D 1 (ECRH) DITE 1 (ECRH)FTU 1.52.2 (ST)ISX-B 1 (ST) JET 2.5 (ST) JT-60U 2-4 (ST) RTP 2-4 (ST,ECRH) TEXT 2.25 (ST) TFTR 1-10 (ST) TORE SUPER 2.5-3.5 (ST) W7-AS 1-1.5 (ECRH) 加热和电流驱动的发展加热和电流驱动的发展 等离子体加料技术的发展等离子体加料技术的发展 壁处理技术的发展壁处理技术的发展 实验诊断的发展实验诊断的发展 计算机能力的发展计算机能力的发展约束模式约束模式对输运的改

7、变对输运的改变对涨落的影响对涨落的影响H-mode8889边界输运垒形成，边界输运垒形成， e, e和和De 降低，降低，H2。等离子体边界涨落被抑制，等离子体边界涨落被抑制，中心的相关长度减小。中心的相关长度减小。杂质模如杂质模如 RI-mode90等等在在NBI时，时， e和和De 降低，降低，H1.8。磁场涨落降低，密度涨落没磁场涨落降低，密度涨落没有变化。有变化。PEP模模25 e比比Alcator定标小三倍，定标小三倍， i降到新经典值。降到新经典值。不是很清楚。不是很清楚。热离子模：热离子模：Supershot91 e, i和和 降低，降低， e 降低最多降低最多，H2。密度涨落缓

8、慢增大，相关长密度涨落缓慢增大，相关长度降低。度降低。VHmode92边界输运垒加宽，边界输运垒加宽， e, i和和De 降低。降低。密度涨落消失。密度涨落消失。高高 -modes93高高 -mode：H23高高 Hmode: H=3.6磁场涨落降低磁场涨落降低高高li模模94H3，有的，有的H li不清楚。不清楚。反剪切模反剪切模(RS)95H2.5密度涨落抑制密度涨落抑制提高的反剪切模提高的反剪切模(ERS)96内部输运垒的形成，内部输运垒的形成， i和和De是新经典值，是新经典值， e降低。降低。等离子体中心涨落被抑制。等离子体中心涨落被抑制。 eiconvcondradoHPPPPPe

9、econvTP)()/(ieeieieeiTTnmmPee eOHradeireeTrPPPrdrnTr 3210() PoH : 欧姆输入功率欧姆输入功率 Prad : 辐射损失辐射损失 Pcond : 热传导损失热传导损失 Pconv : 热对流损失热对流损失 Pei : 电子转移给离子的能电子转移给离子的能量量 ：Spitzer 或新经典电或新经典电阻率阻率 ei : 电子和离子碰撞频率电子和离子碰撞频率jPoHPnTrcondeee (1)(2)(3)(4)(5) Te 由由 ECE测量；测量； ne由由5道远红外干涉仪测量，经道远红外干涉仪测量，经Abel变换得到其分变换得到其分布；

10、布； Ti 是是10道中性粒子能谱仪测量；分布认为与道中性粒子能谱仪测量；分布认为与Te相相同；同； 辐射损失用辐射损失用16道道Bolometer测量，经测量，经Abel变换得到变换得到其分布；其分布； Zeff 由由4道韧致辐射测量；道韧致辐射测量； Ip 和和 Vf 用线圈测量；用线圈测量； 杂质的弦平均辐射强度由转镜测量，经杂质的弦平均辐射强度由转镜测量，经Abel变换变换得到其体发射系数分布。得到其体发射系数分布。Zeff取常数。取常数。jPoHRVjl2/39)/(ln1065. 1TeZeff0.00.20.40.60.81.01.01.52.02.53.0 Data of Ze

11、ff from the impurity transport codeZeffr/a 随密度的变化随密度的变化 （Ip=130KA, Bt = 1.8T）O-硅化后硅化后50炮以内的值，炮以内的值，-硅化后放电硅化后放电250炮后的值，炮后的值， -硅化前的值。硅化前的值。 随放电电流的变化随放电电流的变化( ， Bt=1.84T） o-硅化后的值，硅化后的值， *-硼化后的值。硼化后的值。0.40.60.81.01.21.41.61.82.00.120.140.160.180.200.220.240.260.280.300.32(0) (1013/cm3)e=Prad / PoHNoHrad

12、PP /1001101201301401501601701801900.080.10.120.140.160.180.20.220.240.26IP (kA) = Prad / PoH313/101) 0 (cmne 一般认为，一般认为，De=Dim, ve=vim。我们用杂质输运程序拟我们用杂质输运程序拟合实验测量的杂质离子合实验测量的杂质离子体发射系数。体发射系数。eeconvTPineeeevnrnD0 .00 .20 .40 .60 .81 .0-3 .0-1 .50 .0 xu v8T im e (s)0246Z 1024u v102(0 )eN051 0V f (V )05 01

13、0 01 5 0Ip (kA )以典型炮号以典型炮号34258#的的0.4s 时刻为例时刻为例( Ne (0)1.5 1013/cm3，Ip=140kA）拟合拟合OV体发射系数的峰值体发射系数的峰值拟合拟合CIII体发射系数的峰值体发射系数的峰值0510152025300100020003000400050006000(b)OV 杂质输运程序计算结果 实验数据体发射 系数等离子体 小半 径 (cm)05101520253004000800012000160002000024000(a)CIII 实验数据 杂质输运程序计算结果 体发射系数分布等离子体小半径 (cm)00.10.20.30.40.

14、50.60.70.80.9100.511.522.5x 105r/a PoH, Pconv (w/cm3)Pconv x100 PoH 0510152025300.00.51.01.52.02.53.03.5 CI CII CIII CIV CV CVIDI (m2/s)M inor radius (cm) 051015202530-300-250-200-150-100-50050 CI CII CIII CIV CV CVIvI (m/s)Minor radius (cm)+-PoH o- Pconv 10000.20.40.60.8100.511.522.53r/aPconv ( r )

15、 (W/cm2) 热输运项热输运项(主要是传导主要是传导项）占项）占64左右；左右； 辐射损失约占辐射损失约占20； 与离子碰撞转移给离与离子碰撞转移给离子的约子的约16。00.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.20.40.60.811.21.41.61.822.22.4x 105r/aP (W)PoH Ptrans Prad Pei 假设环电压假设环电压5的误差，的误差， Zeff 有有20的误差，密度的误差，密度有有10的误差，温度有的误差，温度有10的误差的误差 时计算的结果。时计算的结果。其中其中1/2 a处约为处约为25。 通过改变各参量误差大小，通过改变各参

16、量误差大小，结果发现结果发现 e对电子温度的对电子温度的误差最敏感。误差最敏感。00.10.20.30.40.50.60.70.80.9051015202530r/a e(m2/s)在同一炮放电的平顶段，在同一炮放电的平顶段， e值也比较平稳。值也比较平稳。00.20.40.60.812004006008001000051015r/atime (ms) e (m2/s)不同的离子温度分布对不同的离子温度分布对 e的分布影响不大。的分布影响不大。00.20.40.60.81050100150200250300350400450500r/aIon temperature profiles (eV)

17、Same to Te profile Same to Ne profile Square distribution 00.20.40.60.810510152025r/aElectron heat diffusivity (m2/s)Data when Ti profile is same to Te Data when Ti profile is same to Ne Data when Ti profile is square distribution00.20.40.60.80246810121416r/a e (m2/s)Before siliconizationAfter silic

18、onization 硅化后硅化后, e主要在主要在r0.5a区域内降低。区域内降低。00.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.511.522.53x 1013r/aNe (r) (/cm3)After siliconization Before siliconization00.10.20.30.40.50.60.70.80.91050100150200250300350400450r/aTe (eV)Before siliconizationAfter siliconization 硼化后，硼化后， e在整个等离子体内均降低。在整个等离子体内均降低。00.10.20.3

19、0.40.50.60.70.805101520r/a e (m2/s)Before the wall conditioning, shot 29968#After boronization, shot 30448# 0.00.20.40.60.81.00.00E+0005.00E+0121.00E+0131.50E+0132.00E+0132.50E+013 Before B-coating After B-coatingne (r) /cm3r/a0.00.20.40.60.81.001002003004005006007008009001000 Before B-coating After

20、 B-coatingTe (r) (eV)r/a (Ip=140kA, Bt=1.8T)0.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.80.00.51.01.52.02.53.03.54.0(m2/s)(0) (1013/cm3)eeN0.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.80.00.51.01.52.02.53.03.54.0 ( Ne(0) =1.0, Bt=1.84T)1001101201301401501601701801900.511.522.533.54Ip (kA) e (m2/s)o-After siliconization*-Aft

21、er boronization 1.522.511.522.533.54Bt (T) e (m2/s) INTOR 定标定标 Merezhkin 定标定标 Coppi-Mazzucato定标定标 0.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.80.51.01.52.02.53.03.54.04.5 e(a/2) (m2/s)e (0) (1013/cm3) Data from power balance Data from INTOR scaling Data from Merezhkin scaling Data from Coppi-Mazzucato scalingNe

22、en/scmRrqRnTreee/)/()()(125/45/113102scmqTAnZBeeeffTe0.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.810.010.511.011.512.012.513.013.514.0 (ms)(1013/cm3)(0)eEN0.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.810.010.511.011.512.012.513.013.514.011012013014015016017018019068101214161820Ip (kA)Energy confinement time (ms)o-After sili

23、conization*-After boronization oHieeaEPrdrTTnR)(能量约束时间实验值与忽略辐射损失后由经验公式能量约束时间实验值与忽略辐射损失后由经验公式 估算值的比较估算值的比较。 （ -为实验数据计算的的值，为实验数据计算的的值，o-由由 估算的值估算的值） 0.80.91.01.11.21.31.41.51.61.751015202530e (0) (1013/cm3)E(ms)NeECeEC 00.20.40.60.8110-410-2100102r/a e (m2/s)anomalous electron heat diffusivity Neo-cla

24、ssical electron heat diffusivityeipseqeibaneqpplateaueqbaneplateauebaneplateauepseneoRqvthp 漂移波不稳定性漂移波不稳定性 静电漂移波模型静电漂移波模型在低在低 条件下，磁场扰动条件下，磁场扰动B10，这时的漂移波是静电型，这时的漂移波是静电型 ；包；包括通行粒子的漂移不稳定性和捕获粒子不稳定性括通行粒子的漂移不稳定性和捕获粒子不稳定性 。 电磁漂移波模型电磁漂移波模型一般地，当一般地，当 时电磁漂移波比较重要起来；如时电磁漂移波比较重要起来；如Horton 电磁漂移波模型，电磁漂移波模型，Parail电

25、磁漂移波模型等。电磁漂移波模型等。 磁扰动引起的不稳定性磁扰动引起的不稳定性比较大的径向磁扰动使磁场结构的破坏，引起比较大的横向比较大的径向磁扰动使磁场结构的破坏，引起比较大的横向输运；模式主要有：微撕裂模、电阻性压强梯度模输运；模式主要有：微撕裂模、电阻性压强梯度模(气球模气球模) 等。等。)(ieemm等离子体中心比较符合等离子体中心比较符合Horton 电磁漂移波模型：电磁漂移波模型： e在边界比较符合在边界比较符合 Parail 电磁电磁漂移波漂移波 模型：模型： e00.10.20.30.40.50.60.70.8051015r/a e (m2/s)Experimental data

26、 before Si-coatingData of Parails model Data of Hortons model bepeTesspecLcc)()(/qRcRrthepe)()(在等离子体中心在等离子体中心 仍然比较符仍然比较符合合Horton模；模；在在r0.5a 区域，区域， Waltz静电静电漂移波比较符合实验值。漂移波比较符合实验值。 ensspeeienLcmmq)()(/0.000.150.300.450.600.750.9003691215(m2/s) Experim ental data after siliconization Data of Waltzs m o

27、del Data of Hortons m odeler/a在在 r0.5a范围内降低；硼化后范围内降低；硼化后 e值在整个区域内均降低。值在整个区域内均降低。6. HT-7装置上装置上 e值比值比INTOR定标值小，数值大定标值小，数值大小与小与Merezhkin定标和定标和Coppi-Merezhin定标差定标差不多，但比两个定标更依赖于密度。不多，但比两个定标更依赖于密度。7. 能量约束时间在所研究参数范围内随密度的增能量约束时间在所研究参数范围内随密度的增大而增大，与等离子体放电电流的关系不明大而增大，与等离子体放电电流的关系不明显。显。8. 在在r0.5a区域内，硅化前符区域内，硅化

28、前符合合Parail电磁漂移波模型，硅化后，符合电磁漂移波模型，硅化后，符合Waltz 静电漂移波模型。硼化后在静电漂移波模型。硼化后在r0.8a区域区域内，均比较符合内，均比较符合Horton模型。模型。自举电流分布形状来看：硅化和硼化后，等离子自举电流分布形状来看：硅化和硼化后，等离子体参数分布在中心变宽，靠近边界的压力梯度变体参数分布在中心变宽，靠近边界的压力梯度变大，自举电流的分布峰值靠近边界。大，自举电流的分布峰值靠近边界。自举电流分布占总电流分布来看：到边界，壁处自举电流分布占总电流分布来看：到边界，壁处理后比未做任何壁处理前自举电流成分大，即壁理后比未做任何壁处理前自举电流成分大

29、，即壁处理后，靠近边界，自举电流分布对等离子体电处理后，靠近边界，自举电流分布对等离子体电流分布贡献较大。流分布贡献较大。自举电流积分占总实验放电电流比例来看：壁处自举电流积分占总实验放电电流比例来看：壁处理后，理后，HT7装置上的自举电流占总放电电流的装置上的自举电流占总放电电流的比例有增大的现象，壁处理前，不超过总电流的比例有增大的现象，壁处理前，不超过总电流的5，但硼化和硅化后达到，但硼化和硅化后达到10以上。由于边界处以上。由于边界处对应的半径大，从而对面积分的贡献大，即自举对应的半径大，从而对面积分的贡献大，即自举电流比例的增大主要是来自等离子体边界的贡献。电流比例的增大主要是来自等

30、离子体边界的贡献。4. 自举电流成分与等离子体压强梯度关系密切，自举电流成分与等离子体压强梯度关系密切，梯度越大，自举电流成分越大。梯度越大，自举电流成分越大。 本论文是从实验数据的分析来研究自举电流的，本论文是从实验数据的分析来研究自举电流的，确切的研究需要结合输运程序，才能给出完美、确切的研究需要结合输运程序，才能给出完美、自洽的结论。但这些实验结论为以后更深入地研自洽的结论。但这些实验结论为以后更深入地研究究HT7、HT7U装置自举电流提供了基础。装置自举电流提供了基础。 1、尽可能地扩大研究的实验参数范围；、尽可能地扩大研究的实验参数范围；2、研究辅助加热情况下的热输运；、研究辅助加热

31、情况下的热输运；3、开发输运程序，与实验研究相互补充，进一步对、开发输运程序，与实验研究相互补充，进一步对HT -7装置热输运进行分析、理解。装置热输运进行分析、理解。 研究磁约束装置的热输运，是比较复杂而艰巨的任研究磁约束装置的热输运，是比较复杂而艰巨的任务，例如电子热扩散系数的定标，需要处理大量实验务，例如电子热扩散系数的定标，需要处理大量实验数据，且其它参数不变的情况下才能考察它与某一个数据，且其它参数不变的情况下才能考察它与某一个参数的定量关系，但是参数之间是相互影响的，很难参数的定量关系，但是参数之间是相互影响的，很难实现各个量独立变化。输运的研究需要从实现各个量独立变化。输运的研究

32、需要从理论、实验理论、实验以及以及计算模拟计算模拟上同时进行，才能给出系统的比较准确上同时进行，才能给出系统的比较准确的结论，这需要巨大的财力和人力。希望更多的科研的结论，这需要巨大的财力和人力。希望更多的科研工作者加入输运研究的队伍来推动输运研究的发展、工作者加入输运研究的队伍来推动输运研究的发展、推动我们核聚变事业的发展！推动我们核聚变事业的发展！ 1. 张先梅等张先梅等, 计算物理计算物理, 16, (2019) 606。2. Zhang Xianmei, et al., Plasma science and Technology, 2, (2000)295.3. Zhang Xianm

33、ei, et al., 1st IAEA TCM/AFERST, Chengdu, China, Oct.30Nov.3, (2000)D4.4. 张先梅等张先梅等, 物理学报，物理学报，50, (2019) 715.5. Zhang Xianmei, et al., Chinese Physics Letters, 18，(2019) 1090.6. Wan Baonian, Zhang Xianmei, et al., Nucl. Fusion, 39, (2019)1865.7. J.S. Mao, J.Y. Zhao, X.M. Zhang, et al., 2000 Internat

34、ional Conference on Plasma Physics (ICPP) Oct. 23,2000, Quebec City, Canada.8. X. Gao, X. M. Zhang, et al., Plasma Phys. Contr. Fusion, 41, (2019)1349.9. X. Gao, X. M. Zhang, et al. , J. Nucl. Mater., 279, (2000)330. 10. X. Gao, X. M. Zhang, et al., Nuclear Fusion, 40, (2000)1875.11. 11. J. S. Mao,

35、X.M .Zhang, et al., Nucl. Fusion, 已接收已接收首先衷心感谢的是我的导师万宝年研究员。本论文工作是在他的悉心指导和严格要求下完成的。是他引导着我从熟悉该课题的基础知识开始，一步步深入地做下去。每次遇到问题请教他时，万老师总能分析得清晰简洁，并把相关知识融会贯通，加深我的理解、扩展我的知识面。万老师扎实的物理基础、敏锐的洞察力、严谨的科研作风以及对事业的执着和献身精神将对我以后的学习和工作产生巨大影响。感谢毛剑珊研究员平时对我学习和工作的关心和鼓励，尤其在论文撰写过程中提出了许多宝贵的意见。感谢张澄研究员、俞国扬研究员以及王少杰研究员曾在百忙中抽出时间为我解答问题

36、。曾多次请教过赵君煜、吴振伟两位老师有关装置的问题，在此表示感谢。感谢那些为HT7实验日日夜夜坚守在工作岗位的老师和同学。由于我的论文需要等离子体稳态放电以及几乎所有诊断的数据，是他们辛勤的工作，HT7实验才能稳态运行，并提供可靠的诊断数据，我才能获得大量的实验数据来完成我的博士论文工作。感谢丁伯龙老师、刘胜侠老师、秦国斌同学以及叶薇薇等诊断组的同事不厌其烦地提供部分处理数据，感谢崔凝卓提供反演程序。如果没有他们的帮助，我的博士论文工作很难顺利完成。感谢研究生部董俊国、张英、高成云以及张彦秋四位老师几年来的热情关怀和帮助。风景这边独好 衷心感谢论文把关、评阅老师，衷心感谢论文把关、评阅老师， 非常感谢参加今天论文答辩的老师。非常感谢参加今天论文答辩的老师。