【正文】 p≤1MA), high elongated (vessel elongation 3) toroidal fusion experimental machine. High power, realtime controllable, injection of waves at the second (X2, 3MW) and third (X3, ) harmonics of electron cyclotron frequency constitute the primary method of heating (ECH) and driving noninductive current (ECCD) in the plasma with electron densities ≤ne0≤151019m3, electron temperatures ≤Te0≤15keV, ion temperatures ≤Ti0≤1keV. The flexible plasma shaping and powerful ECH system are used to contribute in many areas of tokamak research[1].High power X2ECH, for relatively low density TCV plasmas，does not allow operation at reactor relevant ratios of ion to electron temperatures Ti/Te~1, as the electronion classical Coulomb collision thermal equilibration time is significantly longer than the characteristic confinement times. Implementation of direct ion heating at the MW power level would allow the extension of Ti/Te to beyond unity and fill the gap between present predominantly electron heated experiments and fusion reactor [2]. The ion to electron temperature ratio is of particular interest in the projection of the transport mechanisms from existing experiments to burning plasma. TheTi/Te ratio plays a key role in the transition between ion temperature gradient (ITG) and trapped electron (TEM) mode dominated turbulent energy transport mechanisms. Increasing Ti/Te reduces the ion and electron energy transport as observed in DIIID Hmode experiments [3]. NBI heating may therefore allow TCV plasmas to reach higher ˇ values, close to the ideal limit or beyond at high elongation.Injection of fast atom beams (NBI) into tokamak is a possible and well used method of auxiliary heating. Following ionization and chargeexchange, fast atoms of the beam are trapped as plasma ions and transport energy and momentum mainly to bulk ions if the fast ion energy is below critical energy (Ecrit ～20 keV for hydrogen beam and deuterium plasma, Te= 1 keV) [4]. The proposed NBI system would thus also provide TCV with a tool to investigate fast ion and related MHD physics [5] as well as plasma rotation control [6] for which TCV is already well diagnosed. The behaviour of toroidal rotation in the vicinity of an ITB is of particular interest because of its influence on triggering and/or sustaining the barrier. Target plasmas could include ITERlike Hmode shapes together with advanced shapes, recently accessible only in ohmic regimes【7】。d233。他嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)的榜樣；在忙碌的教學(xué)工作中擠出時(shí)間來審查、修改我的論文，循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。因此目前的正離子驅(qū)動的中性束系統(tǒng)不能很好地?cái)U(kuò)展到未來大裝置的工作區(qū)域。然而，典型的反應(yīng)堆尺寸和等離子體密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。本文簡單介紹了幾種加熱方法。等離子體必須首先被加熱到5~7keV的溫度以使α功率成為主要的加熱源。在高功率加熱條件下存在影響輸運(yùn)的湍流結(jié)構(gòu)，如果能夠設(shè)法抑止湍流水平，約束時(shí)間可以提高，這為后來進(jìn)行的大量改善約束的實(shí)驗(yàn)所證明，并把滿足原先的約束定標(biāo)的情況稱為低模約束，或L模，而改善后的約束模式稱為高模約束，即H模。3．不同于歐姆加熱條件下的新的約束定標(biāo)律及H模。其一是中性束注入在一定程度上使密度剖面分布峰化，對應(yīng)于較好的約束狀態(tài)；其二是總加熱功率的提高使等離子體能夠在更高密度下抵抗邊緣區(qū)的輻射損失(與密度平方成正比)。這種大軌道的總體效應(yīng)是使功率沉積剖面變得更平坦。存在一個臨界能量Ecr,當(dāng)被捕獲的能量大于這一臨界值時(shí)，主要對電子加熱；反之，離子的加熱占優(yōu)。高能離子在等離子體中與本底等離子體的電子和離子在碰撞過程中被慢化，這種過程的嚴(yán)格描述要通過求解相應(yīng)的富克一普朗克方程。這個xm即對應(yīng)于中性化室的最優(yōu)長度。這個觀點(diǎn)可以通過求解式(4)得到證實(shí)。注意，和正離子情形不同，這里沒有通過碰撞電離導(dǎo)致的負(fù)離子的補(bǔ)充，而是導(dǎo)致新的高能正離子的產(chǎn)生。在高能區(qū)σs顯著大于σi下一步就是計(jì)算高能負(fù)離子和中性束通量在通過中性化室時(shí)的演化。這個反應(yīng)截面σs．不同于正離子電荷交換截面。后者和中性束的整體效率直接相關(guān)。作為能量函數(shù)的中性化份額曲線見圖7。這個模型通過束粒子守恒封閉，即要求：Γb++Γb=Γ0≡Γb+0………………….(3)現(xiàn)在，假設(shè)無論是中性粒子還是帶電粒子都沒有在穿過中性化室時(shí)損失太多能量。接下來考慮高能帶電粒子束在穿過中性化室時(shí)的演化。截面σi是第一次被用來描述高能中性粒子進(jìn)入等離子體和正電荷背景離子碰撞發(fā)生的電離。電荷交換反應(yīng)是： Db++Dn→Db+Dn+這里Db是希望得到的高能中性粒子，Dn是低溫背景雙原子分子[即Dn是D2n的簡寫］。首先，高能正離子可以與中性化室中的背景中性粒子發(fā)生電荷交換，從而產(chǎn)生希望得到的高能中性粒子。最后，如果注入中性束粒子變成離子后其速度大于當(dāng)?shù)匕栁乃俣葧r(shí)，會激發(fā)出球形模，產(chǎn)生一種電磁場，這些離子會被這種電磁場驅(qū)逐出等離子體。這導(dǎo)致中性束的直接損失，同時(shí)使得能量沉積剖面擴(kuò)大。為了抵消這種效應(yīng)，提出了平衡注入方案，即從相對方向注入兩個束，使凈動量基本抵消。中性粒子進(jìn)入等離子體中，一旦被電離以后，便通過庫侖碰撞將能量傳遞給等離子體中的粒子，從而達(dá)到加熱等離子體的目的。另一方面，在密度n20=，垂直入射需要a=2m的穿透深度。圖6畫出了式（1）在兩種不同密度下的情形。直觀上看，最好是這樣來選擇束衰減長度：在遠(yuǎn)端逃逸的束能量可以忽略的前提下盡可能選取大的λ。先來看垂直注入加熱，對于中心加熱，可令λ~a。接下來，考慮反應(yīng)截面和穿越深度的關(guān)系。由于離子具有較大的質(zhì)量，因此主要能量由離子攜帶。電荷交換過程的反應(yīng)截面σe可以從原子物理研究中知道，如圖5所示?，F(xiàn)在先考慮電荷交換碰撞，這時(shí)高能中性粒子失去一個電子給冷離子。具體來說，就是要推導(dǎo)E=Ea的表達(dá)式。垂直注入簡單一點(diǎn)，但是會產(chǎn)生具有大的垂直速度分量的高能離子。為避免這種情況發(fā)生，混合束就需要先通過偏轉(zhuǎn)器的磁場，使得帶電的離子被磁場偏轉(zhuǎn)掉，其能量在束終端被收集，如圖3所示。設(shè)備的最后一級是磁偏轉(zhuǎn)器。而負(fù)離子通過時(shí)，則由非彈性碰撞使得附著電子從原子上剝落而被中性化。這里的基本構(gòu)造是一個長管，其中充滿密度被精確控制的中性粒子。對于正離子，柵格上加的是負(fù)電壓，對于負(fù)離子加正電壓。這個結(jié)果意味著高能量下有高的中性束轉(zhuǎn)換效率，也是負(fù)離子源相對于正離子驅(qū)動源的最主要優(yōu)點(diǎn)。另一方面，產(chǎn)生負(fù)離子則更困難。它是這樣工作的：第一級的目的是產(chǎn)生低溫離子源。目前中小型實(shí)驗(yàn)裝置上大多采用中性氫原子束。被加熱的等離子體是一個有界的不均勻介質(zhì)，當(dāng)通過外部的藕合系統(tǒng)（微波天線、波導(dǎo)）向等離子體發(fā)射大功率微波時(shí)，只有在等離子體內(nèi)能產(chǎn)生相應(yīng)波段的可傳播的本征波時(shí)，才能將外部的微波能量藕合到等離子體中，這一條件是由等離子體的色散性質(zhì)確定的，因此必須分析各有關(guān)波段的色散關(guān)系，計(jì)算出可以傳入等離子體的波功率（確定藕合效率）。經(jīng)過20多年的研制，現(xiàn)在單管的微波功率已能達(dá)到MW量級．大部分實(shí)驗(yàn)裝置中，微波功率以一定寬度的脈沖形式輸入，脈寬在幾十毫秒到幾秒范圍，幾個大裝置中的高功率微波脈沖寬度己達(dá)幾十秒?，F(xiàn)簡單討論波與等離子體相互作用和最終加熱等離子體的物理問題。利用波在磁約束等離子體中的傳播和吸收性質(zhì)，選用一定頻段的電磁波，通過天線或波導(dǎo)將波功率發(fā)生器產(chǎn)生的強(qiáng)功率藕合到等離子體中，可以實(shí)現(xiàn)對等離子體電子或離子的加熱，并最終達(dá)到整體等離子體溫度的提高。理論預(yù)測利用負(fù)離子源的總體效率隨著能量的提高仍能保持很高的水平。對應(yīng)的效率是相當(dāng)令人滿意的（η＝束功率／輸入功率相當(dāng)高）。具體而言，目前可以產(chǎn)出優(yōu)化能量100keV量級的高效率束，并把大部分束能量沉積在等離子體中心。高能束更傾向加熱電子。第二個物理問題涉及束能量（在電離化后）向背景等離子體的轉(zhuǎn)移，盡管這個過程相對簡單。后者是為了能夠把能量沉積在最需要的地方。在JET實(shí)驗(yàn)中已成功實(shí)現(xiàn)了大約Ti≈20keV的溫度。在密度較高時(shí)，從離子通道損失的功率可以超過從電子通道損失的功率．要把等離子體溫度提高到遠(yuǎn)大于歐姆加熱所達(dá)到的最高溫度,，由于束粒子是電中性的，不會受到磁場的影響，因此它們一直沿直線進(jìn)入等離子體，直到與背景等離子體發(fā)生碰撞被電離。即使這樣，總的可用磁通（伏秒數(shù)）仍有限，其中為建立等離子體電流消了?Φ1=LIP剩下的用于維持電阻消耗，等于環(huán)電壓對時(shí)間的積分，這就限定了放電時(shí)間。用歐姆驅(qū)動方法維持電流的時(shí)間受到變壓器的伏秒數(shù)的限制。上式表明，中心約束區(qū)的低Z雜質(zhì)有助于提高等離子體溫度，因?yàn)檫@類雜質(zhì)加大了有效電荷數(shù)，而其輻射損失并不太嚴(yán)重，至一點(diǎn)已被許多實(shí)驗(yàn)所證明。歐姆加熱的功率密度為pOH=ηj2 η為Spitzer電阻率實(shí)驗(yàn)證明它由經(jīng)典碰撞機(jī)制確定（在放電初期環(huán)電壓很大時(shí)，電阻率可能出現(xiàn)反常值，在反場箍縮放電和一些湍流放電實(shí)驗(yàn)中，反常系數(shù)可以很大，但對托卡馬克等準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)裝置，初期階段的等離子體不是研究的主要客體，它不影響長時(shí)間約束的性質(zhì)）η=ηLγEZeff1+εneo式中ηL代表Zeff時(shí)的電阻率，Zeff是有效電荷數(shù)，γE是與Zeff有關(guān)的一個因子，當(dāng)Zeff=1時(shí)，γE=，Zeff很大時(shí)γE→1。在大中型裝置中，則需要以歐姆加熱等離子體作為更高功率加熱的靶體。因?yàn)橥锌R克要穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，就必須要有某種形式的非感應(yīng)電流驅(qū)動。在這個過程中，聚變產(chǎn)生的α粒子對加熱的貢獻(xiàn)可以忽略，而加熱功率需要克服由于熱傳導(dǎo)和韌致輻射導(dǎo)致的功率損失。在第一個階段，應(yīng)用有效的輔助加熱系統(tǒng)使等離子體溫度從3 keV升高到5 keV，第二個階段從5 keV升高到8 keV。其大半徑R0=，小半徑a=，等離子體基本參數(shù)為：Ip=100~200 kA，Bt=2 T， ne= (O．5～4)1019m3，Te=~，Ti=~。EAST成為世界上第一個建成并真正運(yùn)行的全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。 相比其他方式的受控核聚變，托卡馬克擁有不少優(yōu)勢。盡管離商業(yè)性的能源利用還有很長的路，但是實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)證實(shí)了聚變能的科學(xué)性和可行性，給了聚變界極大的鼓舞。等離子體電流由變壓器感應(yīng)次級線圈一等離子體產(chǎn)生。在磁約束受控聚變研究已經(jīng)走過的半個世紀(jì)里，各種各樣的實(shí)驗(yàn)裝置被研究和發(fā)展起來，例如磁鏡、Z．pinch、仿星器、托卡馬克等。磁約束聚變是利用強(qiáng)磁場約束高溫等離子體實(shí)現(xiàn)聚變。要實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)必須將原料加熱到高達(dá)十億度的溫度，在這個溫度下物質(zhì)呈現(xiàn)第四態(tài)—等離子體態(tài)。最終的結(jié)果是，在任何時(shí)刻，聚變反應(yīng)堆內(nèi)的燃料質(zhì)量都非常少。具體來說，在裂變反應(yīng)堆里，相當(dāng)于電力生產(chǎn)幾年的整個能量被即時(shí)地存儲在反應(yīng)堆的堆芯?？偟膩碚f，從整體環(huán)境上考慮，聚變能是一種比化石燃料、核能和其他可再生能源更具吸引力的選擇。聚變引起的最大的環(huán)境問題是，不論是DD反應(yīng)還是DT反應(yīng)，都會釋放出高能中子。據(jù)推測，早在 6Li耗盡之前，科學(xué)技術(shù)就已經(jīng)發(fā)展到將聚