磁约束等离子体中的高能量粒子
磁约束聚变等离子体中, 中性束注入或射频波加热能够产生几十千至兆电子伏特能量的高能量粒子, 氘氚聚变产物阿尔法粒子的初始能量为3.5 MeV. 高能量离子通常具有较大径向尺度的运动轨道, 一般不会冻结在磁力线上, 可能还出现直接的轨道损失. 由于高能量粒子存在固有的自由能(压强梯度和速度空间各向异性), 其特征轨道运动会与剪切阿尔芬波及低频磁体不稳定性发生共振相互作用, 激发各种阿尔芬本征模和能量粒子模不稳定性, 如环向阿尔芬本征模和鱼骨模等. 这些不稳定性与高能量粒子之间的非线性相互作用反过来会导致高能量粒子对流及扩散损失. 直接轨道损失和输运损失的高能量粒子有可能轰击在聚变反应堆的第一壁上, 缩短第一壁使用寿命, 甚至会导致反应堆无法正常运行. 在ITER和未来聚变示范堆燃烧等离子体中, 氘氚聚变产物阿尔法粒子具有高能低密度的特点以及与背景热等离子体可比的压强, 并提供比外部注入高得多的加热功率, 因此, 阿尔法粒子对背景等离子体的加热、阿尔法粒子输运与约束、阿尔法粒子与磁流体不稳定性及湍流的相互作用、阿尔法粒子驱动不稳定性等过程变得非常重要, 对这些过程的深刻理解、有效控制和利用将是实现等离子体高效稳定聚变燃烧的核心基础.
应《物理学报》编辑部的邀请, 我们邀请了部分活跃在研究高能量粒子第一线的中青年科学家, 组织了本期专题. 马瑞瑞及其合作者阐述了反磁剪切托卡马克等离子体中低频剪切阿尔芬波的理论研究. 徐明及其合作者综述了EAST反磁剪切条件下磁流体不稳定性及内部输运垒物理实验结果. 包健等13位青年科学家分别在阿尔芬模稳定性、阿尔芬模非线性行为、磁流体不稳定性协同作用、高能量粒子输运与损失和高能量不稳定性控制等几个方向陈述了磁约束等离子体中高能量粒子有关的理论、模拟和实验, 反映了此领域的一些研究现状, 希望对读者了解此前沿课题有所帮助.
2023, 72 (21): 215207.
doi: 10.7498/aps.72.20230255
摘要 +
位于动理学热离子带隙附近的低频阿尔芬扰动因可以与高能量粒子或背景热粒子发生相互作用而引起了广泛的关注. 本文在一般鱼骨模色散关系的理论框架下, 针对反磁剪切托卡马克等离子体中观测到的由高能量粒子或者背景热粒子激发的低频剪切阿尔芬波的线性特性进行了一系列的理论研究. 由于这些低频剪切阿尔芬波与2019年DIII-D开展的专门研究高能量离子驱动低频不稳定的实验密切相关, 因此本文通过采用DIII-D具有代表性实验的平衡参数, 证明了实验上观测的低频模和比压阿尔芬本征模分别是以阿尔芬极化为主的反应型和耗散型不稳定模, 因此, 将前者称为低频阿尔芬模更准确. 由于受逆磁和捕获粒子动理学效应的影响, 低频阿尔芬模既可以在低频区(频率小于热离子的渡越或反弹频率)与比压阿尔芬声模耦合, 又可以在高频区(频率大于或近似等于热离子的渡越频率)与比压阿尔芬本征模耦合. 此外, 由于受到不同激发机制的影响, 与局域在安全因子最小值有理面附近的低频阿尔芬模相比, 驱动比压阿尔芬本征模的高能量离子的压强梯度在偏离安全因子最小值的有理面时达到最大值, 相应的比压阿尔芬本征模的本征函数在高能量离子驱动最大的径向位置处出现峰值. 通过改变安全因子最小值理论上重现了实验上观测的比压阿尔芬本征模和低频阿尔芬模的上升频谱特征. 研究还表明, 比压阿尔芬声模由于受到强烈的朗道阻尼, 因而很难被高能量粒子激发, 这与基于第一性原理的理论预测和模拟结果一致. 本文证明了一般鱼骨模色散关系在解释和预测实验和数值模拟结果方面的强大能力.
2023, 72 (21): 215210.
doi: 10.7498/aps.72.20230620
摘要 +
在托卡马克实验中, 通常会有多种磁流体不稳定性同时存在并与快粒子发生相互作用, 引起非常显著的快粒子输运和损失, 破坏装置第一壁导致放电淬灭. 因此, 理解磁流体不稳定性引起快粒子输运的物理机制, 对未来聚变堆稳态长脉冲运行是亟需解决的重要物理问题. 本文基于球形托卡马克装置NSTX上观测到的非共振内扭曲模与撕裂模发生协同相互作用的实验现象, 采用全局非线性磁流体-动理学混合模拟程序M3D-K, 比较了两种情况下的快粒子损失、输运和再分布的特征, 包括情况1: 非共振内扭曲模与撕裂模同时存在并且发生协同相互作用, 研究了这种协同作用引起快粒子输运的物理机理; 情况2: 只有非共振内扭曲模存在. 研究结果表明, 非共振内扭曲模与撕裂模的协同相互作用可以显著提升快粒子损失和输运水平, 主要原因是这种协同作用可以提供一种快粒子沿径向从等离子体芯部向等离子体边界运动的通道, 从而提升了快粒子输运、损失和再分布水平. 这些结果有助于理解未来聚变堆中低频磁流体不稳定性协同作用引起快粒子输运和损失的物理机理, 为寻找控制和缓解未来聚变堆中快粒子损失和输运水平的策略提供一定的新思路.
2023, 72 (21): 215202.
doi: 10.7498/aps.72.20230650
摘要 +
负三角形变位形下的托卡马克具有更低的湍流输运和更好的能量约束, 被认为是未来聚变堆一个更好的选择. 为了探索负三角形变位形下高能量粒子激发不稳定性的特征, 使用动理学-磁流体混合模型程序M3D-K开展了此位形下高能量离子激发鱼骨模的线性不稳定性和非线性演化的模拟研究. 基于类EAST参数条件, 模拟发现负三角形变解稳理想内扭曲模不稳定性, 但会致稳鱼骨模不稳定性. 非线性模拟发现在没有磁流体非线性效应时, 负三角形变位形下的鱼骨模更不容易饱和, 可能的解释是相比于正三角形变位形, 在负三角形变位形下的高能量离子轨道更接近与芯部, 因而更容易驱动鱼骨模不稳定性. 这些结果表明考虑高能量粒子激发的鱼骨模不稳定性后, 负三角形变位形相比于正三角形变位形并没有明显优势.
2023, 72 (21): 215208.
doi: 10.7498/aps.72.20230696
摘要 +
近期, 在中国环流器2号A (HL-2A)装置上利用电子回旋共振加热(electron cyclotron resonance heating, ECRH)开展了鱼骨模主动控制的实验研究. 结果发现, 鱼骨模的主动控制效果与射频波功率沉积位置密切相关. 在相同的注入功率条件下, ECRH离轴加热的效果比在轴的效果更好, 甚至可以实现对鱼骨模的完全抑制. 分析表明, 大功率离轴射频波通过提升电子温度进而使得等离子体压强梯度和等离子体电流密度变化, 随后导致安全因子改变并使得最小安全因子$q_{{\rm{min}}}>1$ . M3D-K程序模拟表明, 鱼骨模的增长率随着$q_{{\rm{min}}}$ 增大而减小, 这意味着ECRH通过提高安全因子导致q = 1有理面的缺失并使得鱼骨模被完全抑制.
2023, 72 (21): 215211.
doi: 10.7498/aps.72.20230726
摘要 +
利用混合磁流体-动理学模拟程序MEGA对中国环流器二号装置观测到的具有频率啁啾行为的比压阿尔芬本征模进行分析. 区别于动理论方法Berk-Breizman模型, MEGA程序采用真实的实验参数, 如平衡位形、电子密度、电子温度和离子温度等, 再现了具有向上和向下扫频特性的比压阿尔芬本征模. 实验观测到下扫频行为出现时背景等离子体的参数和比压值相对更高. 据此设置MEGA程序的输入参数: 在下扫频行为模拟中, 高能量离子的螺矩角初始分布宽度和芯部比压值, 以及扩散系数均更高. 模拟结果显示快离子相空间的分布影响了扫频行为. 当上扫频行为占主导时, 平行于磁场的离子发挥主要作用; 而下扫频行为占主导时, 垂直于磁场的离子密度显著上升. 实验与模拟均表明: 下扫频行为占主导的比压阿尔芬本征模激发对比压值和高能量离子的密度要求更高, 这与之前的模拟分析得到的结论一致.
2023, 72 (21): 215212.
doi: 10.7498/aps.72.20230768
摘要 +
在HL-2A装置上发展了基于硫化锌银闪烁体的成像型中性粒子分析器, 对磁约束聚变等离子体中高能量粒子(EP)的分布、能量和螺距角等关键信息, 以及EP与磁流体不稳定性之间的相互作用等物理问题进行了研究. 在中性束注入路径上逃逸出的具有等离子体中快离子能量和螺距角信息的中性粒子, 通过由入射孔和碳微晶体膜片组成的准直系统后转化为离子, 在装置边缘磁场中受洛伦兹力偏转而撞击到闪烁体屏上. 通过分析发光点的位置和光强度, 可以推断出装置中快离子的位置、能量和螺距角等关键信息. 在HL-2A装置高能量粒子物理实验中, 通过该诊断和理论计算初步证实了长寿模不稳定性是由能量、螺距角和位置分别为E = 12.5—32 keV, $\theta \sim$ 149.2° ($v_{//}/v\sim$ 0.86)和R = 170.5—171.5 cm的芯部快离子激发.
2023, 72 (21): 215204.
doi: 10.7498/aps.72.20230721
摘要 +
托卡马克装置内, 建立和维持内部输运垒结构是提高等离子体约束的重要保障. 本文简单概述了EAST反磁剪切$q_{{\rm{min}}} \approx 2$ 实验条件下建立和维持内部输运垒的关联物理过程: “离轴锯齿”和双撕裂模不稳定性; 快离子激发的阿尔芬波不稳定性; 热粒子激发的低频模不稳定性等. 首先, “离轴锯齿”是判断实验条件$q_{{\rm{min}}} \leqslant 2$ 的重要依据. 文中详细介绍了“离轴锯齿”的激发条件、分类方式和先兆模结构等基本特征, 其崩塌事件由m/n = 2/1双撕裂模磁重联诱发产生. 其次, 在“离轴锯齿”振荡期间, 快离子很容易激发比压阿尔芬本征模和反剪切阿尔芬本征模. 这两类阿尔芬本征模的环向模数为$1 \leqslant n \leqslant 5$ , 径向位置为环向区域$1.98\ {\rm{m}} \leqslant $ $ R \leqslant 2.07\ {\rm{m}}$ (磁轴$R_0 \approx 1.9 \ {\rm{m}}$ , 归一化小半径$0.2 \leqslant \rho \leqslant 0.45$ ). 简述阿尔芬波的激发条件和3种不同物理量(热压力梯度、快离子分布函数和环向流速剪切)等之间的关系. 第三, 在“离轴锯齿”振荡期间, 热压力梯度可以诱发低频模不稳定性. 利用一般鱼骨模色散关系很容易得出EAST上低频模的基本特征: 1)离子抗磁漂移频率大小; 2)阿尔芬波极化方向; 3)反应型动理学气球模特征. 低频模不稳定性的激发不依赖快离子, 主要发生在高的压力梯度区$\alpha \propto (1 + \tau) (1 + \eta_{\rm{i}})$ , $\tau = T_{\rm{e}}/T_{\rm{i}}$ , $\eta_{\rm{i}} = L_{n_{\rm{i}}}/ L_{T_{\rm{i}}}$ , 也即是足够高的$\tau$ 和$\eta_{\rm{i}}$ . 最后, “离轴锯齿”不稳定性的抑制和内部输运垒结构的建立. EAST内$q_{{\rm{min}}} \approx 2$ 条件下内部输运垒建立过程中包括3个重要过程: 1)切向(NBI1L)注入比垂直方向(NBI1R)注入的中性束更容易缓解“离轴锯齿”的爆发周期; 2)存在“离轴锯齿”的情况高效缓解微观不稳定性, 且此位形更有利于内部输运垒结构的建立; 3)内部输运垒建立过程中伴随阿尔芬波($1 \leqslant n \leqslant 5$ )不稳定性的激发, 内部输运垒维持期间存在热离子温度梯度激发的中尺度微观不稳定性($5 \leqslant n \leqslant 10$ )等. 因此, 理解和掌握“离轴锯齿”实验条件的建立和抑制、阿尔芬波的激发和快离子的再分布、热压力梯度相关不稳定性等物理过程, 对于内部输运垒形成机制的理解具有重要的借鉴意义.
2023, 72 (21): 215201.
doi: 10.7498/aps.72.20230482
摘要 +
在磁约束聚变等离子体中, 离子回旋共振加热(ICRF)与中性束注入(NBI)是两种主要的加热方法. 它们的协同加热一直都是聚变领域研究的重点. 本文首先阐明了ICRF高次谐波加热以及ICRF与NBI协同加热的基本原理. 通过EAST托卡马克上实验和相应的TRANSP模拟, 发现了ICRF与NBI的协同加热不仅可以显著提高等离子体参数(极向比压、等离子体储能、离子温度、中子产额等), 而且能产生大量高能粒子, 形成高能粒子尾巴. 例如, 1 MW的ICRF三次谐波可将初始能量为60 keV的NBI高能氘离子加速至600 keV. 通过改变氢少子含量、提高ICRF和NBI加热功率、使用ICRF在轴加热、优化NBI注入角度等, 可以有效地提高协同加热效率以及高能粒子的能量. 进一步地, 将协同加热产生的高能粒子分布代入粒子轨道程序中, 计算了高能粒子的输运以及其在第一壁上的损失. 结果表明, 损失的高能粒子的初始位置位于低场侧, 且损失轨道大部分为捕获粒子轨道. 高能粒子损失位置主要位于主限制器以及ICRF和低杂波限制器的中上平面. 这些损失的高能粒子被认为是造成限制器上热斑的主要原因之一.
2023, 72 (21): 215205.
doi: 10.7498/aps.72.20230546
摘要 +
环形磁约束等离子体中产生的磁岛因为磁场的旋转变换而具有三维螺旋结构, 特别是仿星器位形下平衡磁面就呈三维螺旋性质. 因此, 仿星器磁岛形成及其不稳定性是环形磁约束三维物理的典型问题, 也是仿星器物理研究的重点课题之一. 早期研究表明, 非感应电流驱动(如电子回旋电流驱动(ECCD))所产生的环向电流对磁岛具有一定的抑制/控制作用. 为弄清中国首台准环对称仿星器CFQS低参数运行模式下三维磁岛物理, 本文聚焦在低比压(β)等离子体, 忽略自举电流并通过调控环向场线圈电流以产生旋转变换(ι/2π)为0.4的有理面, 利用HINT代码模拟研究低比压等离子体中环向电流驱动对m/n = 5/2磁岛的影响, m为极向模数, n为环向模数. 研究表明, 在常数电流情况下, 当电流方向为正/负方向时, 电流对磁岛具有较强的激发/抑制作用. 当负方向的电流大于6 kA时, 磁岛将被完全被抑制, 主要原因是环向电流驱动通过改变旋转变换剖面, 使其避开ι/2π = 0.4的有理面, 导致m/n = 5/2三维磁岛不满足共振激发条件, 最终磁岛的增长被抑制. 而在局域电流分布情况下, 磁岛的抑制主要是ι/2π = 0.4有理面处磁剪切的改变所导致的. 此外, 本文对电流幅度、宽度以及峰值位置等参数对磁岛的影响给予了深入探讨.
2023, 72 (21): 215209.
doi: 10.7498/aps.72.20230700
摘要 +
氘氚聚变产生的高能量α粒子是维持未来托卡马克反应堆等离子体高温的主要加热源, 良好的α粒子约束对于维持稳态燃烧等离子体至关重要. 在持续发生聚变反应的系统中, α粒子远离热平衡, 呈现非麦克斯韦分布. 如果忽略轨道效应, 基于局域库仑碰撞的假设可以得到α粒子的经典慢化分布, 然而由于α粒子存在较大的漂移轨道宽度, 空间输运不容忽视, 为得到更为准确的α粒子分布函数, 需要开展相关的数值计算. 本文使用模拟程序PTC (particle tracer code)在中国聚变工程试验堆(CFETR)不同的放电模式下, 采用粒子轨道跟踪和蒙特卡罗碰撞方法, 对α粒子慢化过程进行了数值模拟, 获得了更为真实的α粒子分布函数, 并将其与经典慢化分布进行了对比. 结果显示分布函数在中等能量附近和经典慢化分布存在较大差异. 进一步的分析表明, 这是由于中等能量下α粒子的较强的径向输运引起的. 本文的研究结果对准确评估α粒子加热背景等离子体的能力具有重要参考价值.
2023, 72 (21): 215203.
doi: 10.7498/aps.72.20230846
摘要 +
聚变等离子体中快离子分布函数的速度空间层析反演(tomography)是研究磁约束核聚变装置中快离子分布和输运的重要手段. 在东方超环(experimental advanced superconducting tokamak, EAST)中性束注入(neutral beam injection, NBI)与离子回旋共振加热(ion cyclotron range of frequencies heating, ICRF)协同加热实验中, 快离子诊断测量信号以及TRANSP模拟获得的快离子分布函数中观测到协同效应产生的高于中性束注入能量的高能粒子. 为了研究快离子分布行为, 获得不同加热条件下诊断测量的快离子分布函数, 采用不同的正则化方法, 增加先验信息以及将快离子Dα光谱诊断(fast-ion Dα spectroscopy, FIDA)与中子发射谱仪(neutron emission spectrometers, NES)相结合等方式, 有效提高快离子诊断信噪比以及在速度空间权重覆盖率, 实现在单独NBI加热以及NBI和ICRF协同加热条件下基于诊断测量的层析反演, 获得真实可靠的快离子分布函数. 这为下一步提高NBI与ICRF协同加热效率, 研究协同加热机制以及相关的快离子分布和输运行为奠定基础.
2023, 72 (21): 215215.
doi: 10.7498/aps.72.20230749
摘要 +
EXL-50U装置高参数等离子体的实现对中性束注入(NBI)加热的依赖非常敏感, 期望NBI快离子约束良好并通过碰撞慢化把能量传给背景等离子体. 本文基于集成模拟给出的平衡位形、快离子分布和装置波纹度数据对快离子波纹损失开展了模拟研究. 发现快离子波纹损份额约为37%, 局域热斑约 0.6 MW/m2, 对装置实验运行来说不可接受. 其优化方案包括移动等离子体位置和加FI(铁素体钢插件)降低波纹度, 增大 Ip (等离子体电流)以及优化 NBI 角度. 结果显示必须控制波纹度分布且增大 Ip 到 600 kA 以上, 才能使快离子损失降低到 3%—4%, 局域热斑降低一个量级. 本文总结了装置设计时快离子波纹损失评估的方法, 包括相空间快离子分布和波纹损失区重合度, 全要素慢化时间尺度粒子跟踪. 还总结了降低波纹损失的工程和物理途径, 为集成模拟迭代优化和装置运行提供模拟支持.
2023, 72 (21): 215206.
doi: 10.7498/aps.72.20230681
摘要 +
基于临界梯度模型, 使用TGLFEP和EPtran两个程序可以模拟分析阿尔芬本征模引起的高能量粒子输运问题. 本文在原有模型的基础上, 加入了两点改进使模拟结果更接近实验. 其一, 考虑阈值剖面的演化过程. 判断阈值的物理量由密度梯度(dn/dr)改为归一化的密度梯度((dn/dr)/(n/a)), 并且使用TGLFEP模拟证明阈值与高能量粒子密度成反比例关系, 也就是说, 当密度降低时, 阈值会增大. 第二, 考虑有限轨道宽度效应. 使用OBRIT程序计算高能量粒子的损失锥, 并输入到EPtran程序中, 从而增加了一种高能量粒子的损失通道. 利用DIII-D#142111和#153071进行实验验证, 结果表示改进后的模型更接近实验. 最后, 利用神经网络代替TGLFEP计算临界梯度, 并实现EPtran的并行计算以缩短运行时间. 以此建立一个EP模块并加入到OMFIT集成模拟中, 模拟结果表示当阿尔芬本征模驱动高能量粒子输运, 会导致芯部的压强和电流降低, 从而提升当地的安全因子, 改变平衡位形.
2023, 72 (21): 215217.
doi: 10.7498/aps.72.20230798
摘要 +
为了理解托卡马克装置中给定径向电场对离子温度梯度模(ITG)稳定性的影响, 基于非线性回旋动理学理论和气球模表象推导了环位形下包含径向电场引起的极向流和密度扰动影响的ITG的本征模方程, 并分别在长/短波长极限下研究了高能量粒子诱发测地声模(EGAM)所伴随的径向电场对ITG的本征频率、增长率和平行模结构的影响. 不仅对该本征模方程进行了理论研究, 还使用本征矩阵法对其进行数值求解, 以便对理论结果进行验证. 研究发现EGAM伴随的电场引起的极向转动会大幅降低ITG的增长率, 而极向模数m = 1的密度扰动对ITG的线性稳定性影响很小. 这一结果与一般认为的带状流通过极向流剪切抑制湍流的结果是一致的. 除此之外, 使用本文发展的一般性方法也可以研究高能量粒子激发的阿尔芬不稳定性与漂移波湍流通过阿尔芬不稳定性激发带状结构发生的间接非线性相互作用, 即带状结构所伴随的径向电场通过极向转动和密度扰动影响ITG的稳定性. 该间接非线性通道可以作为对主导背景等离子体输运的微观湍流和主导高能量粒子输运的阿尔芬不稳定性之间的直接相互作用通道的补充.
2023, 72 (21): 215216.
doi: 10.7498/aps.72.20230794
摘要 +
采用自主开发的本征值程序MAS, 基于朗道流体-漂移动理学混合物理模型, 针对近期实验上观测到的高能量电子激发比压阿尔芬本征模(e-BAE)开展动理学模拟研究. 通过在全域环几何位形下非微扰求解e-BAE色散关系, 得到了e-BAE实频率、增长率和模结构随环向模数的变化特征, 并发现e-BAE在高能量电子密度-温度参数空间下存在不稳定岛, 而在传统微扰理论下则不存在不稳定岛. 进一步分析了高能量电子非微扰效应对e-BAE模结构对称性破缺的影响, 结果表明: 增大高能量电子温度可以引起显著的极向对称性破缺; 移动高能量电子密度剖面使其驱动强度关于有理面不对称时, e-BAE模结构产生径向对称性破缺, 并且扰动幅度在平行波数谱空间下分布不对称, 从而引起等离子体自发旋转. 本文研究结果为理解实验上e-BAE的激发与传播特征具有参考意义.
