【文章內(nèi)容簡介】 典型的JET等離子體100keV的中性束的穿透深度為ap=，大約是垂直入射時(shí)需要的深度。完全平行入射需要大約3m的深度，對(duì)應(yīng)束能量200keV，這正好超出了目前高效正離子源技術(shù)的上限。因此實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論是，目前的正離子源技術(shù)勉強(qiáng)可以做到將JET規(guī)模的等離子體加熱到反應(yīng)堆的溫度。另一方面，在密度n20=，垂直入射需要a=2m的穿透深度。而R0a=。這些值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了正離子源能有效使用的范圍。結(jié)論就是，如果這種形式的輔助加熱要在ITER或者聚變反應(yīng)堆中應(yīng)用，必須發(fā)展高能負(fù)離子源技術(shù)。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。在注入速度足夠高的情況下，這時(shí)以加熱電子為主，隨著中性束粒子能量的降低，則對(duì)離子的加熱過程開始占優(yōu)勢(shì)。需要注意的是，采用中性束注入加熱，等離子體中的磁場必須足夠強(qiáng)，以便能約束住這些由中性束粒子變成的高能離子。另外，在單向注入的情況下，由于動(dòng)量的傳遞會(huì)引起等離子體的整體旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)觀察到了這種單向的切線注入方案稱為非平衡注入。為了抵消這種效應(yīng)，提出了平衡注入方案，即從相對(duì)方向注入兩個(gè)束，使凈動(dòng)量基本抵消。不過，后來的H—模約束實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，等離子體的轉(zhuǎn)動(dòng)并不一定是壞效應(yīng)，尤其是沿極向的轉(zhuǎn)動(dòng)，可能是使約束由低模式向高模式轉(zhuǎn)變的一個(gè)觸發(fā)機(jī)制或手段，因而在一定的條件下可能有意識(shí)的采用非平衡注入方式。當(dāng)中性束的能量向等離子體中傳輸時(shí)，主要有兩大類損失：（1）一部分沒有被電離的中性粒子穿透等離子體打到器壁上損失掉，這被稱為“shinethrough”損失。（2)快離子在等離子體中被迅速中性化，這些高能的中性粒子要么脫離等離子體，要么在任意半徑方向被重新電離。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。由于這取決于電荷交換過程，所以相應(yīng)的稱這種損失為電荷交換損失。在計(jì)算分析中性束加熱效果時(shí)，這些損失需要從中性束總能量中扣除。另外還會(huì)有別的損失情況發(fā)生，尤其是在非平行注入時(shí)，例如被環(huán)向磁場波紋捕獲的香蕉粒子引起的損失。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(huì)激發(fā)出球形模，產(chǎn)生一種電磁場，這些離子會(huì)被這種電磁場驅(qū)逐出等離子體。能量超過100keV時(shí)正離子驅(qū)動(dòng)中性束會(huì)喪失其效率，但是負(fù)離子驅(qū)動(dòng)源卻能在高達(dá)1MeV量級(jí)時(shí)仍然保持高效率。先討論正離子的中性化束。有兩個(gè)重要的過程要考慮。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。第二，高能中性粒子也可以通過和背景中性粒子碰撞被再次電離。后面這個(gè)反應(yīng)是我們不希望的，因?yàn)樗鼤?huì)降低被中性化的粒子的數(shù)目?，F(xiàn)在分別考慮每一種反應(yīng)。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］。在中性化室中，電荷交換把高能帶電粒子轉(zhuǎn)化為高能中性束，然后在等離子體中，反過來，高能中性束轉(zhuǎn)化為高能帶電粒子。有效的電荷交換過程需要一種粒子是中性的，另一種是帶電的，同時(shí)高能粒子必須有比低溫背景粒子低得多的密度。第二種過程是高能中性粒子的重新電離，反應(yīng)如下：Db+Dn→Db++Dn+e相應(yīng)的反應(yīng)截面是已討論過的σi。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。在中性室中，高能中性粒子通過和電中性的背景分子碰撞而被電離。這里并不矛盾，由于兩個(gè)過程都有高能電中性的束粒子，因此背景離子帶不帶電沒有什么關(guān)系。背景粒子電荷形成的電場對(duì)于電中性束粒子軌道的修正可以忽略不計(jì)。接下來考慮高能帶電粒子束在穿過中性化室時(shí)的演化。描述束通量的方程是：dΓb+dx=nnσeΓb++nnσiΓb………………..(2)這里nn是中性化室中背景雙原子中性粒子的密度。方程右側(cè)第一項(xiàng)表示高能帶電粒子Γb+的減少，這個(gè)減少的通量轉(zhuǎn)化成要得到的高能中性束通量Γb。右側(cè)第二項(xiàng)則代表高能中性束通量Γb被重新電離導(dǎo)致Γb+的增加。這個(gè)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。在這個(gè)合理的近似下，和都可以近似認(rèn)為是常數(shù)，因此可以解出式（2）、（3）：Γb+x=Γ0λλi+1λλiex/λΓbx=Γ01λλi1ex/λ這里λ=1npσe+σi；λi=1nnσi現(xiàn)在很容易計(jì)算出中性化份額來。注意到中性化室的長度通常遠(yuǎn)大于λ，因此在室的出n處，指數(shù)項(xiàng)的作用可以忽略。中性粒子通量和帶電粒子通量達(dá)到平衡，中性化份額由下式給出：fn=Γbx/λ→∞Γ0=σeσe+σi這就是得到的結(jié)果。作為能量函數(shù)的中性化份額曲線見圖7。可以看到，當(dāng)能量高于100keV后，fn迅速下降，這是因?yàn)榇藭r(shí)電荷交換截面迅速減小。圖中還畫出了n20=。在這樣的高密度下，對(duì)于正離子驅(qū)動(dòng)的中性束，又要求轉(zhuǎn)換份額高于50％。后者和中性束的整體效率直接相關(guān)。對(duì)負(fù)離子驅(qū)動(dòng)中性束源進(jìn)行類似的分析，同樣，有兩個(gè)主要過程要考慮。第一，負(fù)離子進(jìn)入中性化室，通過和背景中性粒子碰撞把黏附的電子剝離下來。這個(gè)過程產(chǎn)生需要的高能中性束。這個(gè)反應(yīng)截面σs．不同于正離子電荷交換截面。黏附電子弱的附著作用使得即使對(duì)高能下的負(fù)離子也有比電荷交換大得多的反應(yīng)截面。第二個(gè)反應(yīng)是高能中性束和背景中性粒子碰撞導(dǎo)致的重新電離，這和正離子時(shí)的情況一模一樣。兩種感興趣的反應(yīng)可以寫為：Db+Dn→Db+Dn+eDb+Dn→Db++Dn+e在感興趣的高束能量區(qū)，相應(yīng)的電子剝離截面如圖8所示。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。適當(dāng)?shù)哪Ｐ陀上率浇o出dΓbdx=nnσsΓbdΓbdx=nnσiΓb+nnσsΓb……………………..(4)第一個(gè)方程右側(cè)表示由于與背景中性粒子碰撞造成電子剝離導(dǎo)致的負(fù)離子的減少。這個(gè)減少的通量出現(xiàn)在第二個(gè)方程右側(cè)第二項(xiàng)，代表著高能中性粒子通量的增加。第二個(gè)方程右側(cè)第一項(xiàng)代表由于和背景中性粒子碰撞重新電離導(dǎo)致的中性粒子通量的減少。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。因此，如果一直在中性化室中穿行，高能負(fù)離子和高能中性粒子通量都會(huì)衰減到零。這里沒有長尺度極限下的平衡存在。這就意味著一定要有一個(gè)最優(yōu)的中性化室長度使得中性化份額取得最大值。這個(gè)觀點(diǎn)可以通過求解式(4)得到證實(shí)。簡短的計(jì)算可以得到：Γb=Γ0ex/λΓb=Γ0λiλsλiex/λiex/λs這里Γ0=Γb0；λs=1nnσs。λi=1nnσi。中性化份額是x的如下函數(shù)：fnx=ΓbxΓ0=λiλsλiex/λiex/λs這個(gè)函數(shù)在xm=λiλsλiλslnλiλs=1nnσsσilnσiσs處取得最大值。這個(gè)xm即對(duì)應(yīng)于中性化室的最優(yōu)長度。這樣，在中性化室出口處，給出峰值的中性化份額：fnxm=δδ/1δ這里δ=σiσs圖7給出了函數(shù)fnxm。注意到對(duì)于1MeV的束能量，負(fù)離子中性化效率保持高水平，有大約60％的量級(jí)。而此時(shí)正離子源對(duì)應(yīng)的效率則降到低于1％。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。中性束注入的總功率密度將按被捕獲離子所在位置的等離子體參數(shù)來確定對(duì)離子和電子兩種加熱成分的沉積比例。最簡單的物理模型是就地沉積模型，即設(shè)被捕獲離子在慢化過程中將其全部能量沉積在所處磁面上。按這一模型，高能離子（類別為b）的能量慢化速率為1VbdEbdt=2πZ2e2lnΛmbEbniZi2mi+4ne3πmemb1/2Eb1/2Te1/2此式按照對(duì)入射粒子能量的關(guān)系可以寫成兩項(xiàng)，第一項(xiàng)與Eb成反比，是冷離子的貢獻(xiàn)，第二項(xiàng)與Eb成正比，是電子的貢獻(xiàn)。存在一個(gè)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(duì)電子加熱；反之，離子的加熱占優(yōu)。這一臨界能量主要與本底電子的溫度有關(guān)：Ecr=15TeA3/2niZi2neAi2/3設(shè)被捕獲離子的能量全部熱化與所在磁面處，則離子所獲得的加熱份額為Gi=EcrEb0Eb/Ecrdy1+y3/2電子所獲得的加熱份額為Ge=1GiGi,Ge與Eb/Ecr的關(guān)系如圖9所示。設(shè)中性束透入等離子體后在所考慮磁面上的平均功率沉積密度為pNB，則對(duì)離子和電子的加熱功率密度分別為GipNB和GepNB, 這種就地沉積模型得出的加熱計(jì)算子程序己在等離子體參數(shù)演變計(jì)算中得到廣泛應(yīng)用。在更深入的研究中，要考慮被捕獲離子能量的非就地沉積，因?yàn)檫@些離子的能量較大，其軌道與所在磁面有一定的偏離，其中具有香蕉軌道的粒子的偏離更大．在理論上，已發(fā)展了對(duì)香蕉軌道求平均的福克一普朗克計(jì)算編碼。這種大軌道的總體效應(yīng)是使功率沉積剖面變得更平坦。此外，在高能離子總額較大時(shí)，還要考慮這些離子自身反常擴(kuò)散的影響。1．中性束注入在加熱等離子體離子和電子的同時(shí)，對(duì)等離子體的總體性質(zhì)有很大的影響。首先觀察到等離子體穩(wěn)定運(yùn)行參數(shù)區(qū)有所擴(kuò)展，主要是極限密度有相當(dāng)?shù)奶岣?，可能有兩方面的物理原因。其一是中性束注入在一定程度上使密度剖面分布峰化，?duì)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)。2．普遍觀察到高能離子的存在，這些高能離子，尤其是具有香蕉軌道的捕獲離子會(huì)與磁流體本征模發(fā)生相互作用，其中處在q=1面內(nèi)的高能捕獲離子會(huì)與內(nèi)扭曲模發(fā)生相互作用，引起所謂的魚骨模(fishbone mode)，這也是一種m=l，n=l的內(nèi)扭曲模，但只有存在大量的高能捕獲離子時(shí)才能被激發(fā)，它對(duì)高能離子本身的約束起很大的破壞作用，從而影響到中性束的加熱效率。但高能捕獲離子在一定的條件下又能夠起到好的作用，這就是使鋸齒溫度峰化。此外，最近在一些大裝置中利用中性束加熱產(chǎn)生的快離子對(duì)環(huán)形裝置中的阿爾分本征模的激發(fā)條件進(jìn)行了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，這個(gè)問題關(guān)系到氘氚反應(yīng)堆中α粒子的約束特性，是堆芯物理中最重要的問題之一。3．不同于歐姆加熱條件下的新的約束定標(biāo)律及H?！，F(xiàn)代托卡馬克實(shí)驗(yàn)中的中性束注入加熱功率已經(jīng)遠(yuǎn)大于歐姆加熱的功率，等離子體的加熱和約束特性主要都是與這一加熱功率的沉積剖面和總功率有關(guān)。其主要特點(diǎn)之一是，其它高功率加熱，如離子回旋頻段波加熱條件下也類似。對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析以后發(fā)現(xiàn)，可以用各種裝置參數(shù)及加熱總功率來表示能量約束時(shí)間，這一定標(biāo)關(guān)系成為Goldston定標(biāo)。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。4．束離子對(duì)聚變產(chǎn)額的貢獻(xiàn)：高能離子成分的存在使實(shí)際的氘氚反應(yīng)率(以及氘氘反應(yīng)率)有一定程度的提高，尤其在所謂的熱離子模式實(shí)驗(yàn)中，這種提高對(duì)中子產(chǎn)額有很大貢獻(xiàn)。在有關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析編碼中都考慮這類束靶反應(yīng)的貢獻(xiàn)。5．中性束驅(qū)動(dòng)平行于磁力線的電流。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。在溫度升高到5~7keV之前。自加熱可以被忽略，需要?dú)W姆加熱和輔助功率來補(bǔ)償熱傳導(dǎo)和韌致輻射造成的功率損失。而且，一旦實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，需要非感應(yīng)的電流驅(qū)動(dòng)來維持等離子體的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。本文簡單介紹了幾種加熱方法。歐姆加熱從技術(shù)上是最簡單的，但是等離子體電阻隨溫度增加而減小，因此在典型反應(yīng)堆參數(shù)下，歐姆加熱只能加熱等離子體到T≤3keV。需要其他的加熱手段。中性束輔助加熱系統(tǒng)非常成功地把目前的托卡馬克加熱到了反應(yīng)堆級(jí)溫度，對(duì)于目前的等離子體是一種非常有效的加熱手段，中性束加熱的基本物理與經(jīng)典碰撞過程密切相關(guān)，這些100keV束系統(tǒng)由正離子源驅(qū)動(dòng)。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)。反應(yīng)堆參數(shù)需要更高的大約1MeV量級(jí)的能量。最主要的問題是技術(shù)上的。當(dāng)能量高于100keV后，正離子中性束的效率迅速降低。因此目前的正離子驅(qū)動(dòng)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。這促使了制造高能負(fù)離子源的研究和開發(fā)計(jì)劃，其目標(biāo)是獲得即使在1MeV能量水平上仍然保持高效率的高能負(fù)離子源。大學(xué)生活一晃而過，回首走過的歲月，心中倍感充實(shí)，當(dāng)我寫完這篇畢業(yè)論文的時(shí)候，有一種如釋重負(fù)的感覺，感慨良多。首先誠摯的感謝我的論文指導(dǎo)老師黃千紅老師。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。感謝三年中陪伴在我身邊的同學(xué)、朋友，感謝他們?yōu)槲姨岢龅挠幸娴慕ㄗh和意見，有了他們的支持、鼓勵(lì)和幫助，我才能充實(shí)的度過了三年的學(xué)習(xí)生活。[1] Jeffrey Freidberg著；王文浩等譯；等離子體物理與聚變能[M]，北京，科學(xué)出版社，2010[2]石秉仁著；磁約束聚變?cè)砼c實(shí)踐[M]，北京，原子能出版社，1999[3] 劉玉魁，酈文忠，許彥榮；高性能中性束注入加熱[J]；核聚變與等離子體物理，1993年9月第3期，[4]張國平；中性束在等離子體中的傳輸研究，2007[5] . Hama,?, . Kima, . Honga, . Kima, . Ahnb, . Sab, . Kimb； Design verification of the heating neutral beam port liner for the ITERvacuum vessel，F(xiàn)usion Engineering and Design，2009[6] R. W. Stinnett I and M. T. Buttram ；A Magnetically Insulated Negative Ion Source for，Neutral Beam Heating，Journal of Fusion Energy, Vol. 3, No. 4, 1983[7] W. N. G. Hitchon, ~ P. C. Johnson, 1 and C