聚變等離子體中的湍流和輸運

1、1聚變等離子體中的湍流和輸運聚變等離子體中的湍流和輸運徐國盛，萬寶年，張煒，凌必利，李亞東，林士耀中國科學(xué)院等離子體物理研究所，合肥市1126信箱，郵編230031摘要：摘要：過去二十年對等離子體約束的研究已經(jīng)顯示出等離子體橫越磁場的輸運主要是由低頻漂移波湍流所驅(qū)動的。本文簡要綜述了在磁約束聚變領(lǐng)域中對湍流和輸運研究的歷史和現(xiàn)狀。從上個世紀(jì)60年代，初步的等離子體湍流理論的建立至今，伴隨著全世界范圍內(nèi)的磁約束聚變能研究，已經(jīng)發(fā)展了大量的

2、理論模型和數(shù)值模擬代碼，并積累了豐富的實驗結(jié)果。對于低頻等離子體湍流所造成的橫越磁場的粒子、熱能和動量輸運已經(jīng)獲得了較為深刻的理解。未來要實現(xiàn)聚變反應(yīng)堆的高經(jīng)濟性能，需要我們對等離子體輸運獲得完全的理解，并找到有效的控制手段。以往用來預(yù)測未來聚變裝置中等離子體約束性能，主要是通過經(jīng)驗定標(biāo)率外推。這些是不夠的，目前迫切需要的是在已經(jīng)獲得的理解的基礎(chǔ)上建立全面的可用來做預(yù)測的輸運理論模型以及相應(yīng)的數(shù)值模擬代碼。獲得可預(yù)測能力對于耗資巨大的聚

3、變能發(fā)展來說是至關(guān)重要。各種空間不均勻性都可能成為不穩(wěn)定性的驅(qū)動源，相應(yīng)的產(chǎn)生了大量的微觀不穩(wěn)定性理論模型，在不同的等離子體參數(shù)范圍、不同時空尺度、不同的輸運通道適用不同的模型，至今沒有一個適用于各種情況下的被普遍接受的模型。在現(xiàn)有的這些理論模型中，有幾個主要的候選。等離子體芯部高溫低碰撞區(qū)耗散捕獲電子模（TEM）是主要的候選；等離子體周邊溫度較低區(qū)域，非線性驅(qū)動的環(huán)形電子漂移?？赡芸朔偶羟凶枘岫环€(wěn)。在等離子體邊界的低溫高碰撞區(qū)一些

4、流體模型如電阻氣球?？赡苓m用，邊界的情況比較復(fù)雜，一些原子過程如電荷交換和復(fù)合也可能起作用。實驗中觀察到邊界相對較高的漲落水平，這些邊界的漲落到底是來源于邊界特有的不穩(wěn)定性模式還是與芯部相同的模式，或者是芯部的漂移波傳播過來的，至今仍然不清楚。70年代以后高功率中性束和離子回旋加熱發(fā)展起來了，離子被加熱到超過了電子溫度，鑒于離子通道對于熱核反應(yīng)的重要性，離子溫度梯度模（ITG）得到了長足的發(fā)展。這是環(huán)形幾何下的一支聲波，在平坦密度分布、

5、陡峭離子溫度分布的區(qū)域不穩(wěn)定。ITG除了有較成熟的理論還發(fā)展了大型的回旋流體和回旋動力學(xué)代碼?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為離子通道已經(jīng)能夠成功的用ITG定量解釋。在高約束狀態(tài)下芯部離子通道損失降到了接近新經(jīng)典水平，但是電子通道還是高度反常的。理解電子熱輸運仍然是現(xiàn)在最大的挑戰(zhàn)，未來反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱平衡等離子體的電子溫度將接近離子溫度，電子通道不可忽視。近20年電子回旋加熱等局部電子加熱手段的發(fā)展使得在電子和離子解耦的條件下專門研究電子通道成為可能。和ITG

6、對偶的電子溫度梯度模（ETG）可能限制了梯度進一步的提高。實3然是現(xiàn)在最大的挑戰(zhàn)之一。現(xiàn)在大裝置的實驗中普遍能夠獲得芯部高約束的內(nèi)部輸運壘，在ITB芯部離子通道損失降到了接近新經(jīng)典水平，說明離子尺度（大尺度）的湍流被基本抑制住了，但是電子通道還是高度反常的。現(xiàn)在普遍認(rèn)為輸運壘是E?B流剪切、磁剪切以及等離子體位移共同作用的結(jié)果。一種合理的可能性是存在更小尺度的湍流模式，如ETG。流剪切因為尺度大，不能對其有效抑制。但問題是小尺度湍流驅(qū)動

7、輸運的步長短，能不能產(chǎn)生足夠大的輸運來解釋實驗中觀察到的輸運率？于是理論提出徑向拉長的結(jié)構(gòu)“徑向穿流”（streamers），各種模擬中也普遍觀察到。實驗中也有一些似是而非的觀察證據(jù)，但徑向穿流是否存在，能不能解釋觀察到的輸運率仍然是一個未解決的問題。和電子輸運通道相關(guān)的還有一系列的反常現(xiàn)象需要解釋，如熱脈沖反常高速傳播等。6.粒子輸運也有一些不清楚的地方。粒子輸運和兩個熱輸運通道是相互關(guān)聯(lián)的，驅(qū)動兩個熱輸運通道的湍流模式?jīng)]有確定，粒子

8、輸運同樣不能確定。粒子輸運的復(fù)雜性還來自于存在邊界和芯部粒子源，擴散和對流的相對重要性，反常箍縮（pinch）的存在。其中反常箍縮是輸運通道之間交叉耦合的結(jié)果，強烈依賴湍流模式，因此也不能確定。在ITB，離子尺度湍流被抑制的情況下，新經(jīng)典擴散和箍縮的效應(yīng)可能顯現(xiàn)出來。7.動量輸運和旋轉(zhuǎn)是最不清楚的。有多方面的原因，等離子體自發(fā)環(huán)向旋轉(zhuǎn)的動量源不清楚，動量陷中與誤差場的共振和非共振相互作用也不清楚。因為通常托卡馬克理論中取環(huán)對稱處理，所以

9、不能夠描述主離子的環(huán)向旋轉(zhuǎn)，雜質(zhì)離子的環(huán)向旋轉(zhuǎn)可以用新經(jīng)典摩擦來解釋。需要擴展新經(jīng)典理論到環(huán)向非對稱磁場位形的情況。極向旋轉(zhuǎn)大部分可以用新經(jīng)典來解釋。如離子軌道損失驅(qū)動和新經(jīng)典粘滯阻尼。但是湍流驅(qū)動和輸運的內(nèi)外側(cè)不對稱性這些可能的動量源在有些情況下可能起主要作用。在LH轉(zhuǎn)換中的快速（小于離子離子碰撞時間）極向旋轉(zhuǎn)加速不能用標(biāo)準(zhǔn)新經(jīng)典理論來解釋，因此需要擴展新經(jīng)典理論。動量輸運定標(biāo)研究開展得也相對不充分。8.新經(jīng)典輸運理論的興趣回溫。主要

10、是因為在ITB離子尺度湍流被基本抑制住了，離子通道損失降到了接近新經(jīng)典水平，需要用新經(jīng)典來解釋ITB里剩余的輸運。靴帶電流需要用新經(jīng)典來解釋。在碰撞區(qū)的極向旋轉(zhuǎn)和雜質(zhì)離子環(huán)向旋轉(zhuǎn)也基本是新經(jīng)典的，能夠用來重建徑向電場。剩下的問題包括：反剪切位形下磁軸附近的離子熱輸運和靴帶電流，低碰撞區(qū)強輔助加熱下的極向旋轉(zhuǎn)。鑒于現(xiàn)在普遍認(rèn)為旋轉(zhuǎn)對于抑制湍流輸運的重要性，新經(jīng)典在解釋旋轉(zhuǎn)中的作用受到重視，但是當(dāng)湍流驅(qū)動和輸運的內(nèi)外側(cè)不對稱性驅(qū)動成為主導(dǎo)的