常规剪切和中心负剪切位形下高性能持燃烧的等离子体.docxVIP

常规剪切和中心负剪切位形下高性能持燃烧的等离子体 1. 聚变堆实验结果 未来的聚态平均应由聚变反应产生的颗粒自燃烧引起对等效体的燃烧。也就是说，不需要外加或少量反馈加热，同时产生大量能量输出。这种自燃烧主要是自发燃烧。如果完全依赖c燃烧，等效燃烧条件就会提高，自燃烧的情况就无法实现。关于c.目前几乎没有实验结果。除了在几个泰寿装置（tr、jet）中进行一些含锆的实验外，大多数实验都不参与c的反应。这些装置的c反应产生的输出只能达到与外加功率相同的水平，不能达到自我燃烧的条件。结果表明，开展了关于云扩散燃烧的理论研究和实验研究非常重要。另一方面，云分解燃烧条件的建立与离子运行模式、虚拟颗粒加热和燃烧过程中各种热不稳定性因素有关。然而，这些因素目前尚未得出完整、可靠的理论结果，因此可能无法推广到未来的聚态平方堆的实验结果。随着理论研究的深入和实验手段的完善，这些不确定因素发展起来，导致了一些新的结果。这些结果表明对r.kon燃烧的影响值得研究。 文献对在低性能运行的L模式(Bohm模式)下自持燃烧的氘氚等离子体进行了研究,由于热不稳定性,若无动态反馈加热,氘氚无法获得稳态自持燃烧,就是在外加热下获得了燃烧,燃烧放出的能量与为满足燃烧所输入的能量之比是非常小的,这种燃烧实际上没有多大意义.为了获得高性能的运行模式,降低聚变堆的运行成本,近些年来人们开展了先进托卡马克概念的理论和实验研究,实验上获得了一些高性能的运行模式(简称H模式),如中心负剪切(NCS)模式,反剪切(RS)模式和低剪切高βp模式等.特别是在中心负剪切运行模式下等离子体的约束性能得到明显改善,形成了所谓的内部输运壁垒(ITB).在这种运行模式下,等离子体在中心区域满足新经典输运模式,在外部区域满足Bohm输运模式,从中心区到外部区存在一个从H模式过渡到L模式过渡区.尽管目前这种运行模式在时间上是瞬时的,但如果等离子体电流分布能够得到控制,并能产生中心负剪切位形,则稳定的运行模式能够形成.这些高性能的运行模式对氘氚等离子体的燃烧会产生什么样的影响是值得研究的问题.另外,氘氚聚变反应产生的高能α粒子,在早期认为α粒子的能量就地沉积,但从目前的理论研究来看,由于tokamak环向场波纹使α粒子产生径向扩散,以及α粒子在等离子体区域内存在的密度梯度驱动环向阿尔芬本征模(TAE),引起α粒子的反常扩散,这些效应使得α粒子的能量不能就地沉积,影响氘氚燃烧.另一方面,氘氚反应率依赖于等离子体温度,若由于某个偶然的原因(如,密度的变化,杂质的进入,输运状态的变化等)使离子温度有所上升,引起反应率增大,则α粒子加热增大,引起温度上升,这将使反应率进一步上升,引起过度燃烧;反之,温度下降,反应率减小,温度再进一步降低,就会引起燃烧熄灭,这种现象称之为燃烧过程的热不稳定性.在高性能的运行模式下,这些因素对氘氚等离子体的燃烧会产生什么样的影响同样需要进行研究.本文采用先进的中心负剪切和常规剪切两种运行模式,考虑α粒子的反常扩散,并引进动态反馈加热对自持燃烧的氘氚等离子体进行研究. 2. 物理模型 2.1. d-t反应率t和d-t反应规则 考虑电子和离子有不同的温度分布,等离子体加热主要来自于氘氚聚变反应产生的α粒子加热,能量损失主要是电子的轫致辐射损失,认为等离子体有一个不变的密度分布,分布形式为 ne,i(x)=n0e,i(1-0.9x2)(x=r/a),(1) 式中ne0为中心密度.电子、离子所满足的能量输运方程为 为方便起见,式中各量的单位分别取如下:密度n取1020m-3为单位;温度Te,Ti取10keV为单位;热传导率χe,χi取m2·s-1为单位;能量密度Wi,Wi取W·m-3为单位.则单位体积中电子和离子的内能为 we=2.4×105neΤe,(4a)wi=2.4×105niΤe.(4b) 为了保持电中性,认为ne=Zeffni,Zeff为有效电荷.电子与离子之间能量交换为 pei=3.034×104ΖefflnΛ?n2e(Τe-Τi)/Τ3/2e,(5) 式中lnΛ为库仑对数,电子产生的轫致辐射损失功率可以表示为 Ρrad=1.692×104ΖeffneΤ1/2e.(6) 考虑氘(D)氚(T)各占50%,D-T聚变反应产生的α粒子加热功率密度为 Ρα=1.4×1021f2DΤ?σν?DΤn2e,(7) 式中fDT=(nD+nT)/ne是由于等离子体杂质及氦灰的堆积导致等离子体中的氘氚离子浓度淡化而引进的淡化因子.D-T反应率〈σν〉DT有多种经验计算表达式,如著名的Gamow方程 ?σν?DΤ=a1Τ-2/3exp(-a2/Τ1/3),(8) 式中a1和a2均为常数.以此公式为基础发展了一系列的经验公式,在这里采用Hively公式 ?σν?DΤ=10-6exp(a1Τ-r