受控核聚变——现代物理学的一个重要前沿领域(之五)

五、如何达到点火温度核聚变研究的重要目标之一是设法把等离子体的温度提高到10keV以上.这是实现聚变点火必不可少的基本条件之一.主要的加热手段包括欧姆加热,高能中性粒子束注入加热,大功率射频波加热,绝热压缩加热和α粒子加热等.1.欧姆加热的原理及其局限性众所周知,等离子体是良导体,但具有一定的电阻,一旦有电流通过,因电阻效应而得到了加热.按照欧姆定律,其加热功率密度表示为:P=ηj~2,式中η是等离子体电阻率,可表示为η=2.8×10~(-8)/T(?)(欧姆米),其中电子温度T_(?)以keV为单位.这个简单表达式是假定采用氢等离子体、其密度为10~(20)m~(-3)情况下代入著名的斯必泽公式得到的.从上式中可知,随着等离子体电子温度的不断升高,其电阻率急剧下降,由此引起欧姆加热的功率密度急剧下降.这说明欧姆加热这种方式有局限性.我们知道,所有托卡马克的等离子体最初都由环向的等离子体电流提供欧姆加热.但经过计算表明,仅依靠欧姆加热,其电子温度至多加热到1.5keV左右.为使等离子体达到10keV以上的聚变点火温度,必须在欧姆加热的基础上采用等离子体辅助加热.目前获得成功并受到广泛重视的辅助加热手段有高能中性粒子束注入法和射频波共振吸收法.     

快重离子束实现点火的可行性

采用蒙特卡罗方法计算了低温下C,Si,Ar,Au和U等多种重粒子在等物质的量氘氚等离子体密度1000 g/cm3、热斑直径50 m中的电子能量损失,不同点火形式下入射能量和作用时间,以及燃料约束时间为20 ps条件下的束流强度。通过对数据的分析研究了这些重粒子辐照实现氘、氚燃料快点火的可能性。结果表明,重粒子束流加热等离子体实现快点火理论上可行,而且有一定的优势;较重的离子加热聚变等离子体的效果更好。重粒子束流加热等离子体到聚变温度需要的束流强度在MA左右;单个粒子的能量在GeV以上;相互作用时间为ps以下。     

HT—6M上电荷交换中性粒子能谱测量

用10道电荷文换中性粒子分析器测量了HT-6M装置的中性粒子能谱,给出了测量和数据处理方法以及在欧姆加热,高能中性粒子束(NBD)和离子回旋共振辅助加热(ICRH)条件下的能谱和离子温度,并对结果进行了分析讨论。     

先进燃料聚变反应性增强的新机制

采用电子回旋波加热D-^３Ｈe先进燃料聚变等离子体，使它处在高的电子温度下，一些新的物理过程(如聚变产物之间核-核弹性散射、核力与库仑相干散射及核反应的传播)变得相对重要，而高能聚变产物离子与电子的库仑相互作用相对变弱.部分本底燃料离子被高能的聚变反应产物核击出而提升到分布函数尾部成为“超热”燃料离子，从而可能提高D-^３Ｈe聚变的反应性.还计算了这些机制的能量传递. 关键词： 核-核弹性散射 核-库仑相干散射 ３Ｈe聚变')" href="#">D-^３Ｈe聚变 聚变反应性增强     

HT—6M装置中性束注入加热初步实验

一、引 言 在受控核聚变领域中,中性束注入是加热高温等离子体最有效方法之一。目前,几乎所有托卡马克实验中所获得高的温度,都是在有中性束注入情况下实现的。而用中性束注入加热托卡马克等离子体在国内尚属首次。 中性束注入系统的关键是离子源引出高能离子束,经过中性化室将高能离子束转变成高能中性束,并注入到装置中去加热等离子体,以提高等离子体的离子温度。 该系统涉及技术领域广,工程量大,经过多年艰苦努力,HT-6M装置中性束注入系统,终于进入实验阶段。本文介绍当50kW中性束注入HT-6M装置后,等离子体温度净增约80eV。     

HL-2A装置SDD软X射线PHA阵列实验结果

用软X射线脉冲高度分析(PHA)阵列系统获得了等离子体的电子温度剖面和电子速率分布的时间演化。测量结果表明,电子温度剖面在OH阶段较平缓,接近抛物线1.0×[1-(r/a)²]²分布;而在ECRH(功率0.8MW)阶段,等离子体中心(z＝0)电子温度上升了0.6keV,边缘(z＝30cm)处只上升了0.1keV,反映出ECRH功率沉积在等离子体中心区域;在ECRH期间有大量的高能电子产生,因而电子速率分布在ECRH期间显著改变;等离子体中心的高能电子的数量和能量都比等离子体边缘的增加更大,ECRH(～0.8MW)期间等离子体中心(z＝0)产生的高能电子的能量可达17keV。分析表明：在ECRH(纵场B_t=1.3T)放电期间,ECRH加热效果显著,ECRH的功率主要沉积在等离子体中心附近;电子温度剖面在ECRH阶段较OH阶段峰化;ECRH期间有大量的高能电子产生,电子速率分布被改变成为非麦克斯韦分布。     

HT-6M托卡马克二次谐波离子回旋共振加热实验

报道在HT-6M托卡马克用28MH_z射频源对纯氢等离子体进行二次谐波离子回旋共振(ICRF)加热的实验,实验结果表明,对1/4周短天线,当天线输入功率为300kw时,天线功率密度可达1kw/cm~2,脉冲宽度为30ms,天线负载电阻为2(?).与理论估算值较为接近.实验得到的加热效率为1.5×10~13eV·cm~(-3)/kw,并观察到在ICRF加热时引起的较强的辐射以及高能电子的产生. 关键词：     

地基高频加热激励ELF/VLF波对辐射带高能电子的准线性散射

地球内、外辐射带电子通量的变化对于空间飞行器,尤其是中低轨卫星的防护有着非常重要的影响.基于回旋共振波粒相互作用的准线性理论,使用地基高频发射器发射电波调制低电离层背景电流可以人工激励ELF/VLF波,这些波能使辐射带相对论电子发生抛射角散射沉降进入大气层从而降低其生存期.为了定量地分析人工激励ELF/VLF波散射辐射带高能粒子的可行性,针对内、外辐射带,本文选取了两个典型区域：L=4.6和L=1.5.数值计算结果表明,在内、外辐射带由于ELF/VLF波的人工注入而造成的高能电子损失时间尺度很大程度上取决于冷等离子体参量α^*(∝B²/N₀,这里B是背景磁场,N₀是电子数密度)、电波频谱特性和功率,以及与波发生回旋共振的电子能量.一般来讲,在外辐射带人工ELF/VLF哨声波散射相对论电子使之沉降到大气层要容易得多;低能量的高能电子(200keV)要比高能量的相对论电子(500keV)更有效地通过抛射角散射进入大气层.考虑到高频电波加热电离层激励的ELF/VLF波可能会被捕获在磁层空腔中,来回反射从而得到增强,因此在适当的条件下,地基高频加热装置发射足够的电波功率进入电离层诱导大幅度ELF/VLF波注入到内磁层,能够在1至3天的时间尺度内快速散射外辐射带相对论电子使之沉降,也能够在10天量级的时间尺度里散射生存周期一般为100天甚至更长的内辐射带相对论电子. 关键词： 地基高频加热电离层 ELF/VLF波激励 高能电子散射和沉降 共振波粒相互作用     

HT-7上射频波加热时中子辐射行为的研究

HT-7超导托卡马克进行DD等离子体放电时,中子的辐射与辅助加热射频波的类型(LHW加热、ICRF加热)及功率密切相关.利用BF₃与³He正比计数管组成的快速时间分辨中子注量监测系统,研究了不同类型的射频加热对于中子产生机理及高能离子形成的影响.LHW加热功率较低时,易形成逃逸,产生大量的光中子.特定频率的ICRF(27 MHz,24 MHz)加热时,聚变中子所占份额以及总的中子产额均随波功率的增大而显著增涨. 关键词： 射频加热 中子 托卡马克     

激光加热Cu和NaF靶产生的1.2keV区X射线转换效率的测量

介绍了激光加热Cu靶和NaF靶发射的在1.2keV区X射线转换效率的测量方法和实验结果。结果表明,在激光辐照功率密度为1×10¹³—1×10¹⁴W·cm^-2条件下,激光波长为1.06μm或0.53μm时,Cu等离子体发射的1.2KeV区X射线的转换率为NaF等离子体的4—5倍;对此两种等离子体,激光波长为0.53μm的X射线转换效率是波长为1.06μm的2倍左右。 关键词：     

HT-6M装置H模放电的中性粒子研究

HT-6M托卡马克通过边界欧姆加热实现了改善约束的H模，利用中性粒子测量方法成功地研究了等离子体H模放电的中性粒子变化．观察到边界欧姆加热H模放电期间从等离子体逃逸的中性粒子比纯欧姆加热明显减少；约束改善后等离子体中心热区的中性原子密度下降，得到了反映等离子体约束改善的中性粒子特征．实验结果与其他诊断进行了比较和讨论 关键词：     

800keV,8电极负离子束系统的数值计算

高能量、大功率中性束注入是对大型受控核聚变装置进行等离子体加热、无感电流驱动并控制电流分布和点火燃烧温度的主要方法。由于负离子在高能量下仍具有很高的中性转换效率,基于负离子中性转换的方法已成为研制高能中性束注入器的主要手段。为此,我们对800keV、5电极强流负离子束系统进行了数值模拟研究。     

ICRF加热的等离子体反应率计算

本文介绍了ICRF加热的等离子体聚变反应率的计算,并对有关的<σV>-(rf)表达式作了修正。计算结果表明,ICRF等离子体的高能尾部能使反应率增加,有助于把等离子体加热到点火,节省所需要的加热功率。但<σV>_(rf)只在低温、低密度区域增加显著,<σV>_(rf)/<σV>_m随等离子体温度增加而减小,当T=10keV时<σV>_(rf)/<σV>_m大约等于3,当T=20keV时<σV>_(rf)/<σV>_m大约等于1。     

HT-7质能分辨电荷交换中性粒子分析

一台新的10道电荷交换中性粒子能谱仪已用于HT-7托卡马克装置等离子体测量.它具有磁场和电场，且在能量0.2—50keV范围进行了标定.新的能谱仪对于电荷交换粒子测量既能质量分辨，又可能量分析，还能提供空间多点扫描.在欧姆加热氘放电期间，进行了较大角度范围内的径向扫描离子温度测量，得到了HT-7托卡马克离子温度的时间和空间分布. 关键词：     

60MHz电容耦合等离子体中电子能量分布函数特性研究

甚高频(频率大于30 MHz)耦合放电源由于能产生大面积高密度的等离子体而受到了人们的广泛关注. 采用电流、电压探针以及朗缪尔探针诊断技术对60MHz射频激发产生的容性耦合等离子体的放电特性及电子行为进行了研究. 实验结果表明,等离子体的等效电阻/电容随着射频输入功率的增加而减小/增加;等离子体中电子行为不仅依赖于射频输入功率,还与放电气压密切相关;放电气压的增加导致电子能量概率分布函数(EEPF)从双温Maxwellian分布向Druyvesteyn分布转变,而且转变气压远低于文献所报道的数值,这主要是由于在60MHz容性耦合等离子体中电子反弹共振加热效率大为降低. 关键词： 甚高频容性耦合等离子体 朗缪尔探针诊断 电子加热模式     

13.56 MHz 低频功率对60 MHz射频容性耦合等离子体的电特性的影响

使用补偿朗缪尔探针诊断技术,研究了60MHz/13.56MHz双频激发容性耦合等离子体的空间电子行为,得到了电子能量概率函数(EEPF)随径向位置和低频输入功率的演变行为. 实验结果表明,13.56MHz射频输入功率的变化主要影响低能电子的布居,其影响随气压升高而加大. 在等离子体放电中心以外,EEPF呈现出双峰分布的特性,同时发现从放电中心到极板边缘,次能峰有逐渐向高能区漂移的现象,次能峰的出现显示了中能电子的增强的加热效应. 通过EEPF方法,计算了等离子体的电子温度、电子密度. 讨论了等离子体中的电 关键词： 双频激发容性耦合等离子体 朗缪尔探针诊断 电子加热模式     

HT-6M中性束注入加热理论分析

通过数值求解含时、二维(速度空间)、非线性的Fokker-Planck方程,计算了HT-6M托克马克在中性束注入加热条件下的离子温度、分布函数随时间的演化.随着中性束的注入,离子温度稳步增加,分布函数出现高能平台和非同向分布,计算结果和现有的实验符合较好. 关键词：     

α粒子的慢化过程对D-T等离子体聚变燃烧的影响

在双温聚变燃烧点模型框架下，对比D-T等离子体聚变燃烧过程中α粒子能量逐步沉积与瞬时沉积两种描述的等离子体温度、离子数密度随时间的变化，在不同的密度条件下作了计算，考察了α粒子的慢化过程对D-T聚变点火的影响.发现考虑α粒子的慢化过程后，D-T等离子体峰值温度的出现将会推迟若干皮秒甚至几十皮秒，在较低的初始温度密度条件下，时间推迟得更多些.等离子体的峰值温度比α粒子能量瞬时沉积描述也会下降13keV左右. 关键词： α粒子 聚变燃烧 能量沉积 慢化过程     

EAST等离子体电子温度涨落特征的初步实验研究

在EAST上使用相关电子回旋辐射(CECE)诊断系统观测到不同等离子体参数下的电子温度涨落特征,介绍了欧姆放电、L模放电及无ELM的H模放电的三种现象。在欧姆密度爬升等离子体中,电子温度涨落与电子密度之间表现出很强的相关性,即存在电子温度涨落处于较高水平的电子密度的窗口。初步分析表明,电子温度涨落变化是电子密度梯度和电子温度梯度共同影响的结果。不同辅助加热下的L模等离子体中,电子温度涨落的频谱表现出不同的行为。由于电子回旋共振加热(ECRH)的功率有限,其对电子温度的改变很小,而中性束注入(NBI)有较高的注入功率,能够明显提升电子温度,加热方式及加热功率大小引起的电子温度变化与电子温度涨落变化相关。在没有边缘局域模(ELM)的H模期间,可以观测到频率为18kHz的准相干模,其存在于归一化半径ρ=0.71～0.87较宽的径向范围内。     

聚变堆燃烧等离子体温度剖面数值分析

采用聚变等离子体中α粒子慢化、扩散的多能群计算方法,结合本底等离子体的能量平衡方程,对α粒子自加热及扩散情形下对聚变堆而言甚为重要的等离子体温度剖面进行了自洽性的数值分析。对动态及稳态等离子体运行方式的模拟结果表明燃烧等离子体温度剖面比起目前实验得出的剖面更峰状化。这一特性不依α粒子在其慢化过程有无显著的扩散损失而改变,在今后对聚变堆α粒子行为及效应的严格分析中应加以考虑。