【正文】 3, electron temperatures ≤ Te(0) ≤ 15keV, ion temperatures ≤ Ti(0) ≤ 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 ????/????~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 ????/???? 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. The????/???? ratio plays a key role in the transition between ion temperature gradient (ITG) and trapped electron (TEM) mode dominated turbulent energy transport mechanisms. Increasing ????/???? 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 beam。ration Suisse, CH1015 Lausanne, Switzerland b MaxPlanckInstitut f252。rale de Lausanne (EPFL), Centre de Recherches en Physique des Plasmas, Association EuratomConf233。 Chavana, Emiliano Fableb, JeanMichel Mayora, Olivier Sautera, Henri Weisena a Ecole Polytechnique F233。 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、鼓勵和幫助，我才能充實的度過了三年的學(xué)習(xí)生活。 首先誠摯的感謝我的論文指導(dǎo)老師黃千紅 老師。這促使了制造高能負(fù)離子源的研究和開發(fā)計劃，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。當(dāng)能量高于 100keV后，正離子中性束的效率迅速降低。反應(yīng)堆參數(shù)需要更高的大約1MeV量級的能量 。 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)堆級溫度，對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。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。而且，一旦實現(xiàn)點火，需要非 感應(yīng)的電流驅(qū)動來維持等離子體的穩(wěn)態(tài)運行。在溫度升高到 5~7keV之前。 5．中性 束 驅(qū)動平行于磁力線的電流 。 4． 束離子對聚變產(chǎn)額的貢獻(xiàn)：高能離子成分的存在使實際的氘氚反應(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驗中，這種提高對中南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)論文 22 子產(chǎn)額有很大貢獻(xiàn)。對大量實驗數(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間，這一定標(biāo)關(guān)系成為 Goldston 定標(biāo)。其主要特點之一是，能量約束時間隨加熱總功率的加大按 pt。 3． 不同于歐姆加熱條件下的新的約束定標(biāo)律及 H 模。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。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 )。 物理問題 1．中性束注入在加熱等離子體離 子和電子的同時，對等離子體的總體性質(zhì)有很大的影響。這種大軌道的總體效應(yīng)是使功率沉積剖南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)論文 21 面變得更平坦。 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算子程序己在等離子體參數(shù)演變計算中得到廣泛應(yīng)用。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，主要對電子加熱；反之，離子的加熱占優(yōu)。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。 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。注意到對于 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。這樣，在中性化室出口處，給出峰值的中性化份額： fn(xm) = (δ)δ/(1。x/λs) 這個函數(shù)在 xm = λiλsλi ? λsln(λiλs)= 1nn(σs ?σi)ln(σiσs) 處取得最大值。 中性化份額是 x的如下函數(shù)： fn(x) = Γb(x)Γ0= λiλs ?λi(e。(0)； λs = 1nnσs。x/λi ?e。 = Γ0e。這個觀點可以通過求解式 (4)得到證實。這里沒有長尺度極限下的平衡存在。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。這個減少的通量出現(xiàn)在第二個方程右側(cè)第二項，代表著高能中性粒子通量的增加。dΓbdx = ?nnσiΓb + nnσsΓb。適當(dāng)?shù)哪Ｐ陀上率浇o出 南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)論文 19 {dΓb。 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。 +Dn → Db +Dn + e。第二個反應(yīng)是高能中性束和背景中性粒子碰撞導(dǎo)致的重新電離，這和正離子時的情況一模一樣。這個反應(yīng)截面 σs． 不同于正離子電荷交換截面。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。后者和中性束的整體效率直接相關(guān)。圖中還畫出了 n20 = 。作為能量函數(shù)的中性化份額曲線見圖 7。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)項的作用可以忽略。x/λ]Γb(x) = Γ0(1? λλi)(1? e。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損失太多能 量。方程右側(cè)第一項表示高能帶電粒子 Γb:的減少，這個減少的通量轉(zhuǎn)化成要得到的高能中性束 通量 Γb。接下來考慮高能帶電粒子束在穿過中性化室時的演化。這里并不矛盾，由于兩個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。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。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。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?，F(xiàn)在分別考慮每一種反應(yīng)。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。有兩個重要的過程要考慮。 能量超過 100keV時正離子驅(qū)動中性束會喪失其效率，但是 負(fù)離子驅(qū)動源卻能在高達(dá) 1MeV量級時仍然保持高效率。另外還會有別的損失情況發(fā)生，尤其是在非平行注入時，例如被環(huán)向磁場波紋捕獲的香蕉粒子引起的損失。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。（ 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。不過，后來的 H— 模約束實驗發(fā)南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)論文 16 現(xiàn)，等離子體的轉(zhuǎn)動并不一定是壞效應(yīng)，尤其是沿極向的轉(zhuǎn)動，可能是使約束由低模式向高模式轉(zhuǎn)變的一個觸發(fā)機(jī)制或手段，因而在一定的條件下可能 有意識的采用非平衡注入方式。另外， 在單向注入的情況下，由于動量的傳遞會引起等離子體的整體旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象在實驗中已經(jīng)觀察到了這種單向的切線注入方案稱為非平衡注入。在注入速度足夠高的情況下，這時以加熱電子為主，隨著中性束粒子能量的降低，則對離子的加熱過程開始占優(yōu)勢。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)。而 R0a = 射需要 6m的穿透深度和3MeV的束能量。因此實驗得出的結(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。我們注意到，對于密度 n20 = ，小半徑 a = 1m的典型的 JET 等離子體 100keV的中性束的穿透深度為 ap = ，大約是垂直入 射時需要的深度。簡單計算可以得到，這種情況下，式（ 1）可以替代為： 南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)論文 15 aP = ( ε2 +ε)12λ (Eb) 對于環(huán)徑比為 的情形，平行入射時束穿越的路徑長度是垂直入 射的 倍。由于束離開等離子體之前要穿越 2a，三倍的衰減距離后束的損失能夠降到可以接受的低水平，因此我們想要的關(guān)系 EbEb(a)可以寫成下述的隱含方式： a = 32λ (Eb) ≡ aP = P(σc +σi)…………………(1) 對于平行入 射也有類似關(guān)系。長的衰減長度（即 λ大）則使得相對較高份額的能量沉積在等離子體芯部，但衰減長度過長則會導(dǎo)致大量能量從等離子體遠(yuǎn)端逃逸，這同樣是不希望出現(xiàn)的情形。更定量化的定義由下面的簡單推導(dǎo)給出。x/λ) 這里的衰減長度 λ由下式給出 : λ = 1np(σe +σi) 穿透深度顯然與衰減長度同量級。然而，由于密度分布經(jīng)常是相當(dāng)平坦的，因此可以假設(shè) np ≈常數(shù)。 南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)論文 14 接下來，考慮反應(yīng)截面和穿越深度的關(guān)系。在 90keV下，電荷交換是主要的電離機(jī)制。相應(yīng)的反應(yīng)式為： Db + Dp: → Db: +Dp: +e。在這種情況下，中性粒子解體為一個離子和一個電子，二者速度都和原來中性粒子速度相當(dāng)。注意到在 50~100keV時，電荷交換截面開始迅速減小。最后，不論有無電荷，束粒子總是高能的，而等離子體粒子總是低能的，它的能量大約是等離子體溫度。 DD 碰撞的能量交換反應(yīng)是： Db + Dp: → Db: +Dp 這里及后面的記號如下，下標(biāo)“ b”和 “ p”分別指“束”和“等離子體”。其中，電子碰撞電離是最微弱的一種方式，為簡單計可以忽略掉。推導(dǎo)過程并不復(fù)雜，主要取決于不同電離機(jī)制的反應(yīng)截面。 南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)論文 13 在等離子體中的傳播 最先 的物理問題是計算 需要多高的束能量才能使得高能中性束粒子在被電離化前可以穿透等離子體中心。如果環(huán)向場波紋度比較大時 ，這些粒子可能通過新經(jīng)典輸運而迅速損失。如果可能的話，讓中性束如圖 4 那樣沿平行于磁軸方向注人是有利的，盡管這樣做在 幾何上更復(fù)雜，同時由于注入路徑更長因而需要更高的束能量。 然后，剩下的中性束被注入 等離子體中。離子由于具有電荷，如果注入等離子體中，其 直線軌道會被磁場強(qiáng)烈改變，因此很可能把它們的能量沉積在中性束注入 端口處。這一級 是必要的，因為中性化室的輸出通常包含了高能中性束粒子和沒有被中性化的高能離子。無 論是正離子源還是負(fù)離子源，現(xiàn)在得到的都是我們希望注入 等離子體中的高能中性束粒子。對于這兩種類型的離子，中性化的效率非常不同。這時高能正離子從