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托卡马克离子温度梯度湍流输运同位素定标修正中杂质的影响

沈勇 董家齐 徐红兵

托卡马克离子温度梯度湍流输运同位素定标修正中杂质的影响

沈勇, 董家齐, 徐红兵
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  • 托卡马克实验发现,在不同参数条件下,等离子体能量约束经验定标律会有或大或小的修正.为解释这种修正现象发生的原因,应用回旋动理学方法,对含重(钨)杂质等离子体离子温度梯度(ITG)(包括杂质模)湍流输运的同位素效应进行了数值研究.结果表明钨杂质效应极大地修改了同位素定标律和有效电荷效应.随着杂质离子电荷数Z和电荷集中度fz的变化,同位素定标律在较大范围内变化.ITG模最大增长率定标大约为Mi-0.48-0.12,杂质模的定标为Mi-0.46-0.3,其中,Mi表示主离子质量数.在ITG模湍流中,有效电荷数越大,关于Mi的拟合指数偏离-0.5越远,表现为同位素质量依赖减弱.在两种模中,杂质电荷集中度越大,同位素质量依赖越弱.研究了杂质效应使定标关系发生偏离的原因,证实杂质种类、杂质电荷数和杂质浓度的不同,是引起同位素质量依赖发生改变的重要原因.结果证实并解释了不同参数条件下托卡马克同位素定标的差异性.研究成果可以为ITER实验安排及杂质相关输运实验中选择装置材料、工作气体和设置其他参数提供理论参考.
      通信作者: 沈勇, sheny@swip.ac.cn
    • 基金项目: 国家重点研发项目(批准号:2017YFE0300405)、国家自然科学基金(批准号:11475057)和四川省科技项目(批准号:2016JY0196)资助的课题.
    [1]

    Sokolov V, Sen A K 2002 Phys. Rev. Lett. 89 095001

    [2]

    Lorenzini R, Agostini M, Auriemma F, Carraro L, de Masi G, Fassina A, Franz P, Gobbin M, Innocente P, Puiatti M E, Scarin P, Zaniol B, Zuin M 2015 Nucl. Fusion 55 043012

    [3]

    Urano H, Takizuka T, Aiba N, Kikuchi M, Nakano T, Fujita T, Oyama N, Kamada Y, Hayashi N, the JT-6 Team 2013 Nucl. Fusion 53 083003

    [4]

    Sokolov V, Sen A K 2003 Phys. Plasmas 10 3174

    [5]

    Bessenrodt-Weberpals M, Wagner F, ASDEX Team 1993 Nucl. Fusion 33 1205

    [6]

    Yushmanov P N, Takizuka T, Riedel K S, Kardaun O J W F, Cordey J G, Kaye S M, Post D E 1990 Nucl. Fusion 30 1999

    [7]

    Goldston R 1984 Plasma Phys. Controll. Fusion 26 87

    [8]

    Hugill J, Sheffiled J 1978 Nucl. Fusion 18 15

    [9]

    Jacquinot J, the JET Team 1999 Plasma Phys. Control. Fusion 41 A13

    [10]

    ITER Physics Expert Groups on Confinement and Transport and Confinement Modelling and Databases, ITER Physics Basic Editors 1999 Nucl. Fusion 39 2175

    [11]

    Schneider P A, Bustos A, Hennequin P, Ryter F, Bernert M, Cavedon M, Dunne M G, Fischer R, Grler T, Happel T, Igochine V, Kurzan B, Lebschy A, McDermott R M, Morel P, Willensdorfer M, the ASDEX Upgrade Team, the EUROfusion MST1 Team 2017 Nucl. Fusion 57 066003

    [12]

    Du H L, Sang C F, Wang L, Sun J Z, Liu S C, Wang H Q, Zhang L, Guo H Y, Wang D Z 2013 Acta Phys. Sin. 62 245206 (in Chinese) [杜海龙, 桑超峰, 王亮, 孙继忠, 刘少承, 汪惠乾, 张凌, 郭后扬, 王德真 2013 物理学报 62 245206]

    [13]

    Itoh S I, Itoh K 2012 Chin. Phys. B 21 095201

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    Li Q L, Zheng Y Z, Cheng F Y, Deng X B, Deng D S, You P L, Liu G A, Chen X D 2001 Acta Phys. Sin. 50 507 (in Chinese) [李齐良, 郑永真, 程发银, 邓小波, 邓冬生, 游佩林, 刘贵昂, 陈向东 2001 物理学报 50 507]

    [15]

    Pusztai I, Mollen A, Fulop T, Candy J 2013 Plasma Phys. Control. Fusion 55 074012

    [16]

    Dong J Q, Horton W, Dorland W 1994 Phys. Plasmas 1 3635

    [17]

    Tokar M Z, Kalupin D, Unterberg B 2004 Phys. Rev. Lett. 92 215001

    [18]

    Connor J W, Pogutse O P 2001 Plasma Phys. Control. Fusion 43 155

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    [20]

    Shen Y, Dong J Q, Han M K, Sun A P, Shi Z B 2018 Nucl. Fusion 58 076007

    [21]

    Lu H L, Wang S J 2009 Acta Phys. Sin. 58 354 (in Chinese) [陆赫林, 王顺金 2009 物理学报 58 354]

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    Zhang K, Cui Z Y, Sun P, Dong C F, Deng W, Dong Y B, Song S D, Jiang M, Li Y G, Lu P, Yang Q W 2016 Chin. Phys. B 25 065202

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    Zhou Q, Wang B N, Wu Z W, Huang J 2005 Chin. Phys. B 14 2539

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    [25]

    Pusztai I, Candy J, Gohil P 2011 Phys. Plasmas 18 122501

    [26]

    Guo W X, Wang L, Zhuang G 2016 Phys. Plasmas 23 112301

    [27]

    Xu W, Wan B N, Xie J K 2003 Acta Phys. Sin. 52 1970 (in Chinese) [徐伟, 万宝年, 谢纪康 2003 物理学报 52 1970]

    [28]

    Zhang H, Wen S L, Pan M, Huang Z, Zhao Y, Liu X, Chen J M 2016 Chin. Phys. B 25 056102

    [29]

    Coppi B 1991 Proceedings of the 13th International Conference in Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research Washington, USA, July 3-7, 1990 p413

    [30]

    Dominguez R R 1991 Nucl. Fusion 31 2063

    [31]

    Chen L, Tsai S T 1983 Plasma Phys. 25 349

  • [1]

    Sokolov V, Sen A K 2002 Phys. Rev. Lett. 89 095001

    [2]

    Lorenzini R, Agostini M, Auriemma F, Carraro L, de Masi G, Fassina A, Franz P, Gobbin M, Innocente P, Puiatti M E, Scarin P, Zaniol B, Zuin M 2015 Nucl. Fusion 55 043012

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    [4]

    Sokolov V, Sen A K 2003 Phys. Plasmas 10 3174

    [5]

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    Yushmanov P N, Takizuka T, Riedel K S, Kardaun O J W F, Cordey J G, Kaye S M, Post D E 1990 Nucl. Fusion 30 1999

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    Goldston R 1984 Plasma Phys. Controll. Fusion 26 87

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    Hugill J, Sheffiled J 1978 Nucl. Fusion 18 15

    [9]

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    [10]

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    [11]

    Schneider P A, Bustos A, Hennequin P, Ryter F, Bernert M, Cavedon M, Dunne M G, Fischer R, Grler T, Happel T, Igochine V, Kurzan B, Lebschy A, McDermott R M, Morel P, Willensdorfer M, the ASDEX Upgrade Team, the EUROfusion MST1 Team 2017 Nucl. Fusion 57 066003

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    Itoh S I, Itoh K 2012 Chin. Phys. B 21 095201

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    Li Q L, Zheng Y Z, Cheng F Y, Deng X B, Deng D S, You P L, Liu G A, Chen X D 2001 Acta Phys. Sin. 50 507 (in Chinese) [李齐良, 郑永真, 程发银, 邓小波, 邓冬生, 游佩林, 刘贵昂, 陈向东 2001 物理学报 50 507]

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    [16]

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    [18]

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    [19]

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    [23]

    Zhou Q, Wang B N, Wu Z W, Huang J 2005 Chin. Phys. B 14 2539

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    Cui X W, Cui Z Y, Feng B B, Pan Y D, Zhou H Y, Sun P, Fu B Z, Lu P, Dong Y B, Gao J M, Song S D, Yang Q W 2013 Chin. Phys. B 22 125201

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    Pusztai I, Candy J, Gohil P 2011 Phys. Plasmas 18 122501

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  • [1] 陆赫林, 王顺金. 离子温度梯度模湍流的带状流最小自由度模型. 物理学报, 2009, 58(1): 354-362. doi: 10.7498/aps.58.354
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    [3] 王茗馨, 王美山, 杨传路, 刘佳, 马晓光, 王立志. 同位素效应对H+NH→N+H2反应的立体动力学性质的影响. 物理学报, 2015, 64(4): 043402. doi: 10.7498/aps.64.043402
    [4] 吴宇, 蔡绍洪, 邓明森, 孙光宇, 刘文江. 聚噻吩单链量子热输运的第一性原理研究. 物理学报, 2018, 67(2): 026501. doi: 10.7498/aps.67.20171198
    [5] 汪荣凯, 沈光先, 宋晓书, 令狐荣锋, 杨向东. He同位素对He-NO碰撞体系微分截面的影响. 物理学报, 2008, 57(7): 4138-4142. doi: 10.7498/aps.57.4138
    [6] 余春日, 张杰, 汪荣凯, 杨向东. He同位素原子与HBr分子碰撞的微分截面. 物理学报, 2009, 58(1): 229-233. doi: 10.7498/aps.58.229
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    [10] 杨晓荣, 王琼, 叶唐进, 土登次仁. 考虑对流和扩散两种动力学起源的连续时间随机行走模型. 物理学报, 2019, 68(13): 130501. doi: 10.7498/aps.68.20190088
    [11] 杨波, 梅冬成. 非高斯噪声对惯性棘轮中粒子负迁移率的影响. 物理学报, 2013, 62(11): 110502. doi: 10.7498/aps.62.110502
    [12] 段志欣, 邱明辉, 姚翠霞. 采用量子波包方法和准经典轨线方法研究S(3P)+HD反应. 物理学报, 2014, 63(6): 063402. doi: 10.7498/aps.63.063402
    [13] 李文涛, 于文涛, 姚明海. 采用量子含时波包方法研究H/D+Li2LiH/LiD+Li反应. 物理学报, 2018, 67(10): 103401. doi: 10.7498/aps.67.20180324
    [14] 陆赫林, 李跃勋, 杨恺, 陈忠勇. 磁场剪切对离子温度梯度模带状流产生的影响. 物理学报, 2011, 60(8): 085202. doi: 10.7498/aps.60.085202
    [15] 刘宸, 孙宏祥, 袁寿其, 夏建平. 基于温度梯度分布的宽频带声聚焦效应. 物理学报, 2016, 65(4): 044303. doi: 10.7498/aps.65.044303
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    [17] 马忠乾, 王同生, 叶为文. 在Ne22照射U238核反应中观察到反常截面的金同位素. 物理学报, 1966, 131(6): 708-713. doi: 10.7498/aps.22.708
    [18] 余庚华, 颜辉, 高当丽, 赵朋义, 刘鸿, 朱晓玲, 杨维. 相对论多组态相互作用方法计算Mg+离子同位素位移. 物理学报, 2018, 67(1): 013101. doi: 10.7498/aps.67.20171817
    [19] 郭文军, 刘建业, 左 维, 李希国. 核子-核子碰撞截面对同位素标度参数α的同位旋效应. 物理学报, 2008, 57(9): 5458-5463. doi: 10.7498/aps.57.5458
    [20] 李文飞, 陈列文, 张丰收. 化学不稳定性和同位素分布的同位旋效应. 物理学报, 2001, 50(6): 1040-1045. doi: 10.7498/aps.50.1040
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-04-16
  • 修回日期:  2018-07-18
  • 刊出日期:  2018-10-05

托卡马克离子温度梯度湍流输运同位素定标修正中杂质的影响

  • 1. 核工业西南物理研究院, 成都 610041;
  • 2. 浙江大学聚变理论与模拟中心, 杭州 310013
  • 通信作者: 沈勇, sheny@swip.ac.cn
    基金项目: 

    国家重点研发项目(批准号:2017YFE0300405)、国家自然科学基金(批准号:11475057)和四川省科技项目(批准号:2016JY0196)资助的课题.

摘要: 托卡马克实验发现,在不同参数条件下,等离子体能量约束经验定标律会有或大或小的修正.为解释这种修正现象发生的原因,应用回旋动理学方法,对含重(钨)杂质等离子体离子温度梯度(ITG)(包括杂质模)湍流输运的同位素效应进行了数值研究.结果表明钨杂质效应极大地修改了同位素定标律和有效电荷效应.随着杂质离子电荷数Z和电荷集中度fz的变化,同位素定标律在较大范围内变化.ITG模最大增长率定标大约为Mi-0.48-0.12,杂质模的定标为Mi-0.46-0.3,其中,Mi表示主离子质量数.在ITG模湍流中,有效电荷数越大,关于Mi的拟合指数偏离-0.5越远,表现为同位素质量依赖减弱.在两种模中,杂质电荷集中度越大,同位素质量依赖越弱.研究了杂质效应使定标关系发生偏离的原因,证实杂质种类、杂质电荷数和杂质浓度的不同,是引起同位素质量依赖发生改变的重要原因.结果证实并解释了不同参数条件下托卡马克同位素定标的差异性.研究成果可以为ITER实验安排及杂质相关输运实验中选择装置材料、工作气体和设置其他参数提供理论参考.

English Abstract

参考文献 (31)

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