托卡马克等离子体湍流的实验研究

介绍

在等离子体物理学中，湍流是一个重要的研究课题。本文将探讨托卡马克等离子体湍流的实验研究，首先介绍湍流的基本概念和特性，然后讨论湍流在托卡马克等离子体中的影响以及当前的实验研究进展。

湍流的基本概念和特性

湍流是流体运动中的一种不规则、混乱的状态。与稳定的层流相比，湍流具有以下几个主要特点： 1. 高度非线性：湍流中存在着非线性相互作用，导致流体运动的不可预测性。 2. 随机性：湍流运动具有随机性，无法精确地预测其演化过程和状态。 3. 多尺度性：湍流结构存在多个尺度，从宏观到微观都有不同的湍流结构。

湍流在托卡马克等离子体中的影响

托卡马克是一种用于研究核聚变的装置，其中的等离子体湍流对于核聚变反应的稳定性和效率起着重要作用。湍流在托卡马克等离子体中的影响主要体现在以下几个方面：

1. 热输运

湍流可以显著增加等离子体的热输运。等离子体中的湍流运动可以导致热量在空间中的不均匀分布，使得等离子体的中心温度较低。这对于核聚变等离子体的稳定性和热效率都是不利的。

2. 粒子输运

湍流还会增加等离子体中粒子的输运。湍流运动会导致粒子在等离子体中的不规则扩散，使得粒子损失增加。这对于核聚变反应的可控性和效率带来了挑战。

3. 磁约束

在托卡马克中，磁场被用于约束等离子体。然而，湍流运动可以打破磁场的约束，使得等离子体发生不稳定的运动。这对于核聚变反应的可控性和稳定性造成了影响。

当前的实验研究进展

针对托卡马克中的等离子体湍流问题，目前已经进行了大量的实验研究。下面将介绍几个重要的研究进展：

1. 实验观测

研究人员通过各种实验方法，如激光诊断技术、高速摄影等，对托卡马克中的湍流行为进行观测。这些观测结果为湍流的理论研究提供了重要的实验数据。

2. 数值模拟

利用计算流体动力学方法，研究人员通过数值模拟等离子体的湍流行为。这些数值模拟结果可以帮助揭示湍流产生机制，为进一步优化托卡马克等离子体提供理论指导。

3. 湍流控制

为了克服湍流对托卡马克等离子体的负面影响，研究人员还开展了湍流控制的实验研究。通过施加不同的外部力场或采用优化的磁场配置，可以部分抑制和控制湍流的发展，提高等离子体的稳定性。

4. 理论研究

除了实验研究，湍流的理论研究也在不断深入。研究人员正努力发展更精确的湍流模型和理论，以便更好地描述和解释托卡马克等离子体中的湍流行为。

结论

托卡马克等离子体湍流的实验研究在核聚变领域具有重要意义。通过观测、数值模拟、湍流控制和理论研究等多种手段，研究人员正努力揭示湍流产生和发展的机制，以期进一步提高托卡马克等离子体的稳定性和效率。这些研究成果将对未来核聚变能源的实现具有重要指导意义。

托卡马克装置

●托卡马克装置： ●核反应有聚变、裂变两种方式。 ●核裂变：就是一个大质量的原子核（如铀(yóu)、钍(tǔ)、钚（bu）等）吸收一个中子后分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和很大的能量， ●又能使别的原子核接着发生核裂变，使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应。 ●如原子弹爆炸。 ●核聚变：由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温（近亿度）和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。如氢弹爆炸。 ●托卡马克装置又称为托卡马克环流器，是一种受控核聚变实验装置。 ●受控核聚变的优点：

●一是理论和实践都证明，核聚变比核裂变释放出的能量要大得多； ●二是资源蕴藏丰富，作为重核裂变主要原料的燃料铀，目前探明的储量仅够使用约一百年，而轻核聚变用的燃料氘在海水中储藏丰富，1升海水可提取30毫克氘，通过聚变反应能释放出相当于300公升汽油的能量。可谓取之不尽，用之不竭； ●三是成本低，1公斤浓缩铀的成本约为 1.2万美元，而1公斤氘仅需300美元； ●四是安全可靠，万一发生事故，反应堆会自动冷却而停止反应，不会产生放射性污染物，不会发生爆炸事故。（日本福岛核电事故：断电无法提供冷却水，由于裂变产物衰变释放热量，使核燃料组件温度升高，压力容器内气压升高，工作人员为减压，释放压力容器内的水蒸气，使核反应堆失水，部分燃料爆露出水面，温度继续升高，使露出的燃料棒的锆合金包壳融化，于是放射性的裂变产物便释放出来，并随减压释放出的水蒸气一起排入大

气，造成污染。） ●托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。 ●2006年9月28日，中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置EAST首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。 ●托卡马克装置的研究在全世界几十个国家内进行，中国科学院等离子体物理研究所目前拥有数台常规托卡马克装置，其中ＴＨ－７是国内最大的托卡马克装置。常规托卡马克装置在通电时存在着电阻，其磁场内等离子体无法加热到反应堆温度，聚变的放电时间也很短，仅有数秒。中国科学院等离子体物理研究所正在设计建

托卡马克

磁约束：是利用强磁场可以很好地约束带电粒子这个特性，构造一个特殊的磁容器，建成聚变反应堆，在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。托卡马克是前苏联科学家于20世纪60年代发明的一种环形磁约束装置。美、日、欧等发达国家的大型常规托卡马克在短脉冲（数秒量级）运行条件下，做出了许多重要成果。等离子体温度已达4.4亿度；脉冲聚变输出功率超过16兆瓦；Q值（表示输出功率与输入功率之比）已超过1.25。所有这些成就都表明：在托卡马克上产生聚变能的科学可行性已被证实。但这些结果都是在数秒时间内以脉冲形式产生的，与实际反应堆的连续运行仍有较大的距离，其主要原因在于磁容器的产生是脉冲形式的。受控热核聚变研究的一次重大突破，就是将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，建成了超导的托卡马克，使得磁约束位形的连续稳态运行成为现实。超导托卡马克是公认的探索、解决未来具有超导堆芯的聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。目前，全世界仅有俄、日、法、中四国拥有超导托卡马克。法国的超导托卡马克Tore-supra的体积是中国HT-7的17.5倍，它是世界上第一个真正实现高参数准稳态运行的装置，在放电时间长达120s条件下，等离子体温度为两千万度，中心密度每立方米1.5×1019，放电时间是热能约束时间的数百倍。

西南物理研究院1984年建成中国环流器一号（HL -1），1995年建成中国环流器新一号。中国科学院等离子体物理研究所1995年建成超导装置HT -7。它原是前苏联无偿赠送给中国的一套纵向超导的托卡马克实验装置，经等离子体物理研究所的不断改进，它已成为一个宠大的实验系统。它包括HT -7超导托卡马克装置本体、大型超高真空系统、大型计算机控制和数据采集处理系统、大型高功率脉冲电源及其回路系统、全国规模最大的低温氦制冷系统、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热系统以及数十种复杂的诊断测量系统。在十几次实验中，取得若干具有国际影响的重大科研成果。特别是在2003年3月31日，实验取得了重大突破，获得超过1分钟的等离子体放电，最长放电时间达到 63.95 秒；这是继法国之后第二个能产生分钟量级高温等离子体放电的托卡马克装置。这些重大进展是：实现了在低杂波驱动下电子温度超过500万度、中心密度大于每立方米 1.0×1019 、长达20秒可重复的高温等离子体放电；实现了大于10秒、电子温度超过1000万度、中心密度大于每立方米1.0×1019的高参数等离子体放电，这是世界上第二个形成放电长度达到1000倍热能约束时间的高参数准稳态等离子体；在离子伯恩斯波和低杂波协同作用下，实现放电脉冲长度大于100倍热能约束时间、电子温度2000万度的高约束稳态运行；最高电子温度超过3000万度。

托卡马克等离子体湍流的实验研究

托卡马克等离子体湍流的实验研究介绍在等离子体物理学中，湍流是一个重要的研究课题。本文将探讨托卡马克等离子体湍流的实验研究，首先介绍湍流的基本概念和特性，然后讨论湍流在托卡马克等离子体中的影响以及当前的实验研究进展。湍流的基本概念和特性湍流是流体运动中的一种不规则、混乱的状态。与稳定的层流相比，湍流具有以下几个主要特点： 1. 高度非线性：湍流中存在着非线性相互作用，导致流体运动的不可预测性。 2. 随机性：湍流运动具有随机性，无法精确地预测其演化过程和状态。 3. 多尺度性：湍流结构存在多个尺度，从宏观到微观都有不同的湍流结构。湍流在托卡马克等离子体中的影响托卡马克是一种用于研究核聚变的装置，其中的等离子体湍流对于核聚变反应的稳定性和效率起着重要作用。湍流在托卡马克等离子体中的影响主要体现在以下几个方面： 1. 热输运湍流可以显著增加等离子体的热输运。等离子体中的湍流运动可以导致热量在空间中的不均匀分布，使得等离子体的中心温度较低。这对于核聚变等离子体的稳定性和热效率都是不利的。 2. 粒子输运湍流还会增加等离子体中粒子的输运。湍流运动会导致粒子在等离子体中的不规则扩散，使得粒子损失增加。这对于核聚变反应的可控性和效率带来了挑战。

3. 磁约束在托卡马克中，磁场被用于约束等离子体。然而，湍流运动可以打破磁场的约束，使得等离子体发生不稳定的运动。这对于核聚变反应的可控性和稳定性造成了影响。当前的实验研究进展针对托卡马克中的等离子体湍流问题，目前已经进行了大量的实验研究。下面将介绍几个重要的研究进展： 1. 实验观测研究人员通过各种实验方法，如激光诊断技术、高速摄影等，对托卡马克中的湍流行为进行观测。这些观测结果为湍流的理论研究提供了重要的实验数据。 2. 数值模拟利用计算流体动力学方法，研究人员通过数值模拟等离子体的湍流行为。这些数值模拟结果可以帮助揭示湍流产生机制，为进一步优化托卡马克等离子体提供理论指导。 3. 湍流控制为了克服湍流对托卡马克等离子体的负面影响，研究人员还开展了湍流控制的实验研究。通过施加不同的外部力场或采用优化的磁场配置，可以部分抑制和控制湍流的发展，提高等离子体的稳定性。 4. 理论研究除了实验研究，湍流的理论研究也在不断深入。研究人员正努力发展更精确的湍流模型和理论，以便更好地描述和解释托卡马克等离子体中的湍流行为。结论托卡马克等离子体湍流的实验研究在核聚变领域具有重要意义。通过观测、数值模拟、湍流控制和理论研究等多种手段，研究人员正努力揭示湍流产生和发展的机制，以期进一步提高托卡马克等离子体的稳定性和效率。这些研究成果将对未来核聚变能源的实现具有重要指导意义。

等离子体物理学中等离子体的稳定性

等离子体物理学中等离子体的稳定性等离子体是一种物质状态，具有高度电离的特性。在等离子体物理学中，理解和探索等离子体的稳定性是一项重要的研究工作。等离子体的稳定性实际上涉及到等离子体的自然行为和能量耗散等基本原理。本文将从等离子体的稳定性及其影响因素入手，探讨等离子体物理学中的一些相关理论和实验现象。等离子体的稳定性主要受到两个方面的因素影响：离子流动和磁场约束。首先，离子流动对于等离子体的稳定性起着重要的作用。空间等离子体通常包含正离子和电子两种带电粒子，它们在一个复杂的电动力学相互作用下形成在自由电子云中的高度电离物质。这些离子流往往是不稳定的，可能因为不同带电粒子间的相互碰撞、相互转移，导致平衡受到破坏。因此，对于等离子体的研究来说，了解和控制离子流动是至关重要的。其次，磁场约束也是影响等离子体稳定性的重要因素。磁场约束通过在等离子体周围创建磁场来限制离子流动并保持等离子体的稳定。这种磁场通常由外部磁体或电流线圈产生，可以根据需要进行调整。由于带电粒子受到磁场力的作用，其运动将受到限制，进而改变了离子流动的方向和速度，从而维持了等离子体的稳定性。在了解等离子体的稳定性的基本因素后，我们可以通过实验来验证和进一步研究这些理论。等离子体物理学中的一个重要实验装置是托卡马克（Tokamak）。托卡马克是一种用于研究核聚变等离子体稳定性的装置，其中通过创建强大的磁场和等离子体相互作用来实现控制和稳定的条件。通过调整磁场和离子流动等因素，科学家们可以观察和研究等离子体的稳定性和行为。除了实验手段，数值模拟也是研究等离子体稳定性的重要工具。通过建立数学模型，并利用计算机技术进行模拟和计算，可以帮助我们更好地理解等离子体的行为和稳定性。例如，通过数值模拟可以研究等离子体中的湍流现象，以及在不同参数下的变化特性。

非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的解析解及重构方法

非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的解析解及重构方法非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的解析解及重构方法一、引言在研究等离子体物理学中，非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场是一个重要而复杂的问题。为了深入了解其磁场特性，研究人员一直在寻求解析解和重构方法。本文将围绕这一主题展开探讨，从基础概念到先进技术，为读者呈现支撑着现代等离子体研究的关键内容。二、非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的基本概念 1. 托卡马克等离子体的特点托卡马克等离子体是一种磁约束聚变装置，其磁场形状通常是非圆截面的。这导致了边缘磁场的研究面临更高的复杂性和挑战性。 2. 非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的物理特性非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场具有复杂的几何形状和磁场拓扑，其磁场线密度分布不规则，磁场强度和方向变化大，给研究和控制带来了很大的困难。

3. 国内外研究现状当前，国内外研究人员通过实验、数值模拟和理论分析等手段，尝试寻找非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的解析解和重构方法，以期更好地理解和控制其磁场行为。三、非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的解析解方法 1. 基于磁场模型的解析解研究人员可以通过建立合适的磁场模型，尝试推导出非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的解析解。这需要考虑到等离子体密度、温度、形状等多个因素，是一项复杂而艰巨的任务，但成功地实现了会为研究提供重要的理论指导。 2. 数学方法的应用另一种解析解方法是运用数学工具，比如复杂函数论、边值问题求解等，来探索非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的解析解。这种方法通常需要跨学科合作，将数学建模与物理建模相结合，挖掘更深层次的磁场内在规律。四、非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的重构方法 1. 基于实验数据的重构方法

托卡马克实验对科学的贡献

托卡马克实验对科学的贡献托卡马克实验作为一种核聚变装置，对科学的发展做出了重要的贡献。它的出现为人类解决能源危机、推动科学技术发展提供了新的途径。本文将从三个方面来探讨托卡马克实验对科学的贡献，分别是：可控核聚变实验的突破、新能源的探索以及科学技术的推动。首先，托卡马克实验的突破为可控核聚变打开了大门。核聚变是太阳能的源泉，通过将轻核聚变为重核，释放出巨大的能量。然而，长期以来，科学家一直在探索如何实现可控核聚变，而托卡马克实验的出现正是对这一问题的突破。托卡马克实验模拟了太阳的核聚变反应，通过将磁场与等离子体相互作用，实现了等离子体的稳态保持。这一突破为后续的核聚变实验提供了重要的理论和实验基础。其次，托卡马克实验为新能源的探索提供了方向。传统能源资源日益枯竭，环境污染问题日益严重，人类对新能源的需求与日俱增。而核聚变作为一种清洁、高效、持久的能源形式，被广泛认为是解决能源危机的关键之一。托卡马克实验的发展不仅为研究新能源提供了重要的手段，更为人类探索核聚变的可行性提供了模型和方向。通过不断更新和改进实验设计，科学家们正在努力实现在实验室中控制和驯服核聚变反应的目标，为未来新能源的开发奠定了基础。最后，托卡马克实验对科学技术的推动功不可没。在托卡马克实验的过程中，科学家们不断创新、提出新的理论和模型，从而推动了相关领域的发展。托卡马克实验的进行需要集合多个学科知识，如物理学、工程学以及材料科学等，这促使科学家们进行跨学科的合作和研

究。在实验中遇到的问题和挑战也促使科学家们思考和解决各种科学难题，推动了相关技术的发展和创新。总之，托卡马克实验作为一种可控核聚变装置，对科学的发展有着重要的贡献。它的突破为可控核聚变的实现提供了方向，为新能源的探索提供了基础，同时也推动了相关科学技术的发展。虽然目前仍面临诸多挑战和难题，但托卡马克实验的持续研究和发展必将为人类的未来打开更加广阔的科学道路。

J-TEXT托卡马克上偏压电极驱动等离子体转动的特性研究

J-TEXT托卡马克上偏压电极驱动等离子体转动的特性研究托卡马克等离子体转动在抑制微观湍流和宏观磁流体不稳定性、改善等离子体约束等方面扮演着重要角色,目前转动相关物理研究已取得诸多成果,但是仍然存在很多难题,如本征转动的驱动机制、动量输运的物理过程、转动对宏观磁流体(MHD)不稳定性作用的机理等, 等离子体转动的研究仍然具有积极意义。本文依托于J-TEXT托卡马克装置,建立了一套适用于测量J-TEXT边界离子温度的减速场分析仪(RFA),并优化了调制转动的工具——偏压电极(EB)系统,完成了以下实验内容:首先,利用RFA测量了 J-TEXT刮削层离子温度Ti的分布,发现Ti约是静电探针测量的电子温度Te的1.2～2.3倍。比较不同放电位型下的离子温度分布发现,Ti分布的衰减长度λT与磁连接长度Lc之间近似满足关系:λT∝(?),而且离子温度分布具有极向不对称性,低场侧中平面的分布比顶部平坦,可能是由中平面较强的横越磁力线输运引起的。结合RFA和静电探针对偏压电极动量源区的环向角动量平衡进行分析,得到环向动量阻尼系数约为μΦ=103～104 s-1,并通过实验证明了局部环向动量陷主要是由中性粒子阻尼贡献的。另外,拓展了 RFA的应用,实现了电子和离子温度的同步测量,并对单探针理论进行修正,验证了单探针理论中冷离子和薄鞘层近似的合理性。其次,基于微扰分析法对J-TEXT等离子体环向动量输运进行研究。相比之前的J-TEXT动量输运研究,本文完善了环向转动的测量,优化了偏压电极的电压波形。根据偏压电极调制等离子体环向转动的相位延迟确定了动量输运时间尺度约为10 ms量级,并计算了 r/a =

托卡马克研究中的主要挑战与突破

托卡马克研究中的主要挑战与突破托卡马克是一种利用磁控制核聚变技术来实现可控核聚变反应的装置。在过去几十年里，托卡马克研究一直是核聚变领域的热点，它带来了许多挑战和突破。本文将探讨托卡马克研究中的主要挑战和取得的突破。首先，托卡马克研究面临的一个主要挑战是如何实现高温高密度等离子体的稳定存在。在托卡马克装置内部，需要通过强磁场来约束和控制等离子体。然而，高温高密度等离子体往往不稳定，容易受到热湍流和磁湍流等扰动的影响，从而导致等离子体的扩散和损失。为了克服这个挑战，研究人员进行了大量的实验和模拟，不断改进托卡马克的设计和运行方式。通过优化磁场配置、控制热湍流和磁湍流等扰动，科学家们取得了一系列突破，在实验中实现了长时间的等离子体稳态运行。其次，托卡马克研究还面临着如何解决等离子体与装置之间的相互作用问题。在托卡马克装置内，等离子体与装置的边界之间存在一个复杂的界面，称为边界层。边界层的运动和相互作用对等离子体的稳定性和能量损失具有重要影响，因此需要对边界层进行深入研究。通过利用高精度的仿真模型和实验技术，科学家们逐渐揭示了边界层的物理过程，并提出了一系列改进措施。例如，采用特殊的材料来减小等离子体与装置之间的相互作用，或者设计特殊的壁面结构来提高等离子体的稳定性。

此外，托卡马克研究中的一个重要挑战是如何实现长脉冲运行。由于等离子体的高温和高密度，托卡马克装置受到巨大的热负载，导致设备的疲劳和损坏。为了解决这个问题，研究人员不断改进材料和制造技术，开发出能够承受高温和高压的新型材料。同时，他们还提出了新的装置设计和操作方式，例如采用先进的冷却系统来降低装置的温度，或者通过增加等离子体的外加供能来减少对装置的负载。在托卡马克研究中，还有一项重要突破是实现了运行中的可控核聚变反应。核聚变是一种释放巨大能量的反应，但要实现核聚变反应并保持可控，是一个极具挑战性的任务。通过改进装置的设计和控制方法，科学家们在托卡马克实验中取得了重要的突破。他们成功地控制了等离子体的温度、密度和压强等参数，实现了持续稳定的放电，并在一定程度上实现了可控的核聚变反应。总结起来，托卡马克研究面临着诸多挑战，但科学家们通过不断努力和创新，取得了许多重要突破。他们优化了等离子体的稳定性和边界层的相互作用，开发出新型材料和装置设计，实现了长脉冲运行和可控核聚变反应。这些突破为未来核聚变能源的开发和应用奠定了坚实的基础，将推动人类能源领域的发展。

托卡马克实验与全球能源危机

托卡马克实验与全球能源危机全球能源危机，一直是社会各界关注的焦点。近年来，人们对于可再生能源的探索和利用在不断坚实，而其中一项颇受关注的实验便是托卡马克实验。托卡马克实验是一种用于核聚变研究的装置，通过将物质加热到高温并将其与磁场保持稳定，以实现核聚变的目标。这项实验旨在通过将轻元素聚变来释放能量，以替代目前广泛使用的核裂变技术。托卡马克实验不仅在科学界引起了浓厚的兴趣，同时也对全球能源危机带来了新的希望。托卡马克实验的基本原理是将氢等轻元素加热到高温并施加磁场，使其形成等离子体。在高温和高密度的环境下，轻元素核之间的排斥力被克服，从而使得核聚变反应发生。核聚变反应会产生巨大的能量，实现洁净、可持续的能源供应。托卡马克实验的核心技术是如何有效地控制等离子体的稳定性，以及如何将聚变反应转化为实际可以利用的电能。虽然托卡马克实验在理论上具有巨大的潜力，但是要实现核聚变作为主要能源来源仍然面临许多挑战。首先，实现稳定的等离子体控制是一个关键问题。由于等离子体的高温和复杂性，其稳定性非常容易受到外界扰动的影响。此外，托卡马克实验需要大量的能源输入来维持等离子体的运行，这也给实验的成本和可行性带来了一定的困难。然而，尽管托卡马克实验目前仍然处于实验阶段，但其潜力和前景令人振奋。一旦核聚变技术得到有效控制并实现大规模商业化生产，

它将为全球能源危机提供可持续发展的解决方案。核聚变产生的能量不仅几乎不会污染环境，而且资源丰富，相对于有限的矿物燃料来说更为可靠和可持续。随着科学技术的进步和对可再生能源需求的不断增长，托卡马克实验正日益受到全球范围内的重视和资金投入。各国科学家纷纷加入到托卡马克实验的研究领域，共同推动核聚变技术的发展。此外，国际合作也变得越来越重要，因为核聚变技术的开发需要各方共同努力。总体而言，托卡马克实验对于全球能源危机具有重大意义。尽管实现核聚变作为主要能源来源仍面临诸多技术和经济挑战，但其前景令人充满希望。托卡马克实验的研究和发展将推动全球能源的可持续发展，为人类创造更加清洁、高效的能源未来。对于解决全球能源危机，托卡马克实验无疑是一个令人兴奋的领域，值得人们持续关注和支持。

托卡马克芯部等离子体微观不稳定性研究

托卡马克芯部等离子体微观不稳定性研究王亮;龚学余;李新霞;邹任忠【摘要】在Weiland模型的基础上，考虑碰撞效应的双流体方程，获得了托卡马克等离子体芯部区域ITG(离子温度梯度模)和TEM(捕获电子模)的色散关系，分析了归一化温度梯度和密度梯度以及归一化径向坐标对这两种模式增长率的影响。计算结果表明等离子体密度梯度对离子温度梯度模有致稳作用，而对捕获电子模模有促进作用。两种模的增长率都随各自温度梯度和归一化径向坐标的增大而不同程度增大。%With the dispersion relation of the ion temperature gradient mode( ITG) and the trapped electron mode( TEM) derived from the Weiland model,where the two fluid equa-tions with the collision term are used,the effects of the normalized temperature gradient, the normalized density gradient and the normalized radial coordiante on the growth rates of these two modes are analyzed. The computation results indicate that the ion temperature gradient modes are stablized by the plasma density gradient and the traped electron mode is destabilized by the density gradient. The growth rate of both modes increase with plasma temperature gradient and the radial coordinate. 【期刊名称】《南华大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)002 【总页数】6页(P1-5,10) 【关键词】芯部等离子体;增长率;离子温度梯度模;俘获电子模

托卡马克边缘等离子体与壁材料相互作用课程报告

托卡马克边缘等离子体与壁材料相互作用课程报告题目：磁约束核聚变托卡马克等离子体与壁相互作用研究进展姓名：学号; 专业：指导教师：日期：

磁约束核聚变托卡马克等离子体与壁相互作用研究进展核聚变能是潜在的清洁安全能源, 其最终的实现对中国能源问题的解决尤其重要。磁约束托卡马克是目前最有可能实现受控热核聚变的方法。磁约束聚变能的实现面临两大瓶颈问题: 高参数稳态等离子体物理问题和托卡马克装置及未来反应堆关键材料问题。其中关键材料问题的解决在很大程度上取决于我们对等离子体与壁材料相互作用( Plasma-Wall Interact ions, PWI) 过程和机理的深入理解。PW现象主要发生在托卡马克磁场最外封闭磁面以外的边界等离子体(又称为刮削层,Scrapped-Off Layer,SOL)和直接接触SOI的面对等离子体材料( Plasma-Facing Materials, PFM ) 区域内。因此, PWI 问题直接决定了聚变的装置运行安全性、壁材料研发进程和未来壁的使用寿命。弄清PW的各种物理过程和机理并施以有效的控制, 是未来核聚变能实现的重要环节。 / 、八 1 随着化石能源的枯竭, 人类面临着严重的能源危机。核聚变能是潜在的清洁安全能源, 其燃料氘大量存在于海水之中, 几乎取之不尽用之不竭。因此, 核聚变能被认为是人类能源问题的终极解决方式。核聚变能的最终实现对中国能源问题的解决尤其重要。因为库仑排斥作用使核聚变反应非常困难, 使用强磁场约束等离子体并加热至极端高温的聚变的方法, 而可能实现长脉冲( 稳态)高参数运行的全超导磁约束托卡马克则是目前最有发展前途的热核聚变装置。2006 年11月, 欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度和中国七方在巴黎正式签署协议, 启动全超导磁约束国际热核实验堆( International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER ) 建设, 项目耗资120亿美元,将于2018年在法国Cadarache建成,预计可以产生500 MW 的能量。ITER 计划是目前世界上仅次于国际空间站的又一项国际大科学工程项目, 是人类开发洁净新能源的一次大胆尝试。这一计划将集成当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学和技术成果, 是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步。ITER 计划是中国有史以来参加的规模最大的国际科技合作项目。在国内, 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所(以下简称等离子体所)在20世纪90年代,建成了HT - 7超导托卡马克,是世界上少数几个超导装置之一。2006年, 等离子体所又独立建成了世界上第一个具有非圆截面的全超导托卡马克( Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST , 是当今世界上最先进的磁约束热核聚变研究装置之一。目前,EAST正在开展与ITER 相关的各项工程和物理研究, 如长脉冲( 稳态) 等离子体的稳定控制、等离子体驱动和加热、偏滤器物理、先进壁材料和部件研发及其与托卡马克等离子体相互作用等。核工业西南物理研究院是国内最早开展核聚变研究的研究单位, 在高温等离子体物理研究方面取得了令人瞩目的成绩。建成的HL - 2A装置已经成功地进行了偏滤器位形放电并获得了高约束等离子体。全面展开的对HL-2A 的升级改造工作，并已完成。磁约束托卡马克是目前最有可能实现受控热核聚变的方法。磁约束聚变能的实现面临两大瓶颈问题: 高参数稳态等离子体物理问题和托卡马克装置及未来反应堆关键材料问题。其中, 关键材料问题的解决在很大程度上取决于我们对等离子体与壁材料相互作用( Plasma-W all Interactions, PWI) 过程和机理的深入理解。PW I现象主

聚变等离子体中的湍流和输运

聚变等离子体中的湍流和输运徐国盛，万宝年，张炜，凌必利，李亚东，林士耀中国科学院等离子体物理研究所，合肥市1126信箱，邮编230031 摘要：过去二十年对等离子体约束的研究已经显示出等离子体横越磁场的输运主要是由低频漂移波湍流所驱动的。本文简要综述了在磁约束聚变领域中对湍流和输运研究的历史和现状。从上个世纪60年代，初步的等离子体湍流理论的建立至今，伴随着全世界范围内的磁约束聚变能研究，已经发展了大量的理论模型和数值模拟代码，并积累了丰富的实验结果。对于低频等离子体湍流所造成的横越磁场的粒子、热能和动量输运已经获得了较为深刻的理解。未来要实现聚变反应堆的高经济性能，需要我们对等离子体输运获得完全的理解，并找到有效的控制手段。以往用来预测未来聚变装置中等离子体约束性能，主要是通过经验定标率外推。这些是不够的，目前迫切需要的是在已经获得的理解的基础上建立全面的可用来做预测的输运理论模型以及相应的数值模拟代码。获得可预测能力对于耗资巨大的聚变能发展来说是至关重要。各种空间不均匀性都可能成为不稳定性的驱动源，相应的产生了大量的微观不稳定性理论模型，在不同的等离子体参数范围、不同时空尺度、不同的输运通道适用不同的模型，至今没有一个适用于各种情况下的被普遍接受的模型。在现有的这些理论模型中，有几个主要的候选。等离子体芯部高温低碰撞区耗散捕获电子模（TEM）是主要的候选；等离子体周边温度较低区域，非线性驱动的环形电子漂移模可能克服磁剪切阻尼而不稳。在等离子体边界的低温高碰撞区一些流体模型如电阻气球模可能适用，边界的情况比较复杂，一些原子过程如电荷交换和复合也可能起作用。实验中观察到边界相对较高的涨落水平，这些边界的涨落到底是来源于边界特有的不稳定性模式还是与芯部相同的模式，或者是芯部的漂移波传播过来的，至今仍然不清楚。70年代以后高功率中性束和离子回旋加热发展起来了，离子被加热到超过了电子温度，鉴于离子通道对于热核反应的重要性，离子温度梯度模（ITG）得到了长足的发展。这是环形几何下的一支声波，在平坦密度分布、陡峭离子温度分布的区域不稳定。ITG除了有较成熟的理论还发展了大型的回旋流体和回旋动力学代码。现在普遍认为离子通道已经能够成功的用ITG定量解释。在高约束状态下芯部离子通道损失降到了接近新经典水平，但是电子通道还是高度反常的。理解电子热输运仍然是现在最大的挑战，未来反应堆稳态热平衡等离子体的电子温度将接近离子温度，电子通道不可忽视。近20年电子回旋加热等局部电子加热手段的发展使得在电子和离子解耦的条件下专门研究电子通道成为可能。和ITG对偶的电子温度梯度模（ETG）可能限制了梯度进一步的提高。实验中确

五、托卡马克中的重要问题(磁约束、平衡、加热、第一壁之外)

五、托卡马克中的其他重要问题（磁约束、平衡、加热、第一壁之外） 1.托卡马克物理发展的重要点 19世纪30年代英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放电现象，这实际上是等离子体实验研究的起步时期。 1879年英国的W.克鲁克斯采用“物质第四态”这个名词来描述气体放电管中的电离气体。美国的I.朗缪尔在1928年首先引入等离子体这个名词，等离子体物理学才正式问世。1929年美国的L.汤克斯和朗缪尔指出了等离子体中电子密度的疏密波（即朗缪尔波）。对空间等离子体的探索，也在20世纪初开始。1902年英国的亥维赛（发现地球上电离离层的中层，E层,被称为亥维赛层）等为了解释无线电波可以远距离传播的现象，推测地球上空存在着能反射电磁波的电离层。这个假说为英国的E.V.阿普顿用实验证实。英国的D.R.哈特里(1931)和阿普顿(1932)提出了电离层的折射率公式，并得到磁化等离子体的色散方程。 ――――以下与托卡马克密切相关（在高温等离子体书中有对应内容）―――― 从20世纪30年代起，磁流体力学等离子体的速度分布函数服从福克－普朗克方程。1936年给出方程中 1938年苏联的A.A. 方程，即弃去碰撞项的无碰撞方程。朗道碰撞积分和符拉索夫方程的提出，标志着动力论的发端。 1942年瑞典的H.阿尔文指出，当理想导电流体处在磁场中，会产生沿磁力线传播的横波(即阿尔文波)。印度的S.钱德拉塞卡在1942年提出用试探粒子模型来研究弛豫过程。 1946年朗道证明当朗缪尔波传播时，共振电子会吸收波的能量造成波衰减，这称为朗道阻尼。朗道的这个理论，开创了等离子体中波和粒子相互作用和微观不稳定性这些新的研究领域。从1935年延续至1952年，苏联的H.H.博戈留博夫、英国的刘维定理出发，得到了不封闭的方程组系列，名为BBGKY链