HT-7托卡马克欧姆放电时的电子热输运分析课件

HT-7HT-7托卡马克欧姆放电时的电托卡马克欧姆放电时的电子热输运分析子热输运分析博士研究生：张博士研究生：张先先梅梅博士导师：万博士导师：万宝宝年年HT-7托卡马克欧姆放电时的电子热输运分析博士研究生：张1主主 要要 内内 容容一、引言一、引言研究热输运的意义、方法和研究状况研究热输运的意义、方法和研究状况二、二、HT-7装置上电子能量平衡分析装置上电子能量平衡分析各能量项的实验分析结果；各能量项的实验分析结果；电子热扩散系数电子热扩散系数 e的分布、与等离子体参数的关的分布、与等离子体参数的关系系;壁处理前后壁处理前后 e的行为，以及与理论模型的比较。的行为，以及与理论模型的比较。三、三、HT-7装置上自举电流的研究装置上自举电流的研究四、总结和展望四、总结和展望主要内容一、引言2一、引言一、引言（1）研究热输运的意义）研究热输运的意义1.等离子体约束与反常输运的关系等离子体约束与反常输运的关系在在20世纪世纪80年代初，随着托卡马克实验研究的年代初，随着托卡马克实验研究的深入，发现等离子体约束主要受反常输运的制约，深入，发现等离子体约束主要受反常输运的制约，反常输运是实现托卡马克聚变的一个主要障碍。输反常输运是实现托卡马克聚变的一个主要障碍。输运与约束息息相关。人们近似地给出总体能量约束运与约束息息相关。人们近似地给出总体能量约束时间时间 E与与 e的关系式的关系式：一、引言（1）研究热输运的意义等离子体约束与反常输运的关32、辐射损失对聚变的影响、辐射损失对聚变的影响辐射损失是电子能量平衡方程中一个重要组成部分。辐射损失是电子能量平衡方程中一个重要组成部分。杂质对主等离子体的影响主要有两方面：杂质对主等离子体的影响主要有两方面：第一，辐射能量并影响等离子体中参数的空间分布以及等第一，辐射能量并影响等离子体中参数的空间分布以及等离子体的总体能量约束时间，使约束等离子体很难达到收离子体的总体能量约束时间，使约束等离子体很难达到收支平衡；支平衡；第二，使工作元素的离子密度稀释，从而影响聚变反应功第二，使工作元素的离子密度稀释，从而影响聚变反应功率密度。率密度。杂质辐射与约束模式的关系杂质辐射与约束模式的关系杂质辐射与等离子体密度的关系杂质辐射与等离子体密度的关系3、聚变实现的条件、聚变实现的条件在聚变研究中，一个非常有意义三乘积：在聚变研究中，一个非常有意义三乘积：neTeE。要想达。要想达到点火条件必须满足：到点火条件必须满足：2、辐射损失对聚变的影响4过去的过去的30年三乘积年三乘积neTeE的变化情况。的变化情况。在过去的在过去的20年，年，DIII-D得到得到的好约束模式的变化情况。的好约束模式的变化情况。由于辐射、反常输运等能量损失，使该点火条件很难满足。由于辐射、反常输运等能量损失，使该点火条件很难满足。过去的30年三乘积neTeE的变化情况。在过去的20年，5引言引言（2）研究热输运的方法）研究热输运的方法分析全局量分析全局量 E、内能、内能W定标；定标；从从实实验验角角度度分分析析局局部部输输运运系系数数D，e，i与与等等离子体宏观参数的关系；离子体宏观参数的关系；由由理理论论模模型型得得到到D，e，i,E，解解输输运运方方程程，计计算算出出等等离离子子体体参参数数如如密密度度、温温度度等等，与与实实验值作比较。验值作比较。引言（2）研究热输运的方法分析全局量E、内能W定标；6局部热输运的实验研究研究方法局部热输运的实验研究研究方法热流平衡分析热流平衡分析(PowerBalance)调制输运分析调制输运分析（ModulatedTransport)其方法是利用输运方程中含时间变量项，通过调其方法是利用输运方程中含时间变量项，通过调制源项，在实验上测量与时间有关的一项。目前制源项，在实验上测量与时间有关的一项。目前产生调制源项的主要方法有：产生调制源项的主要方法有：1.自身产生的锯齿热脉冲传播自身产生的锯齿热脉冲传播2.用用ECRH产生局部能量扰动产生局部能量扰动3.弹丸注入来调制温度弹丸注入来调制温度局部热输运的实验研究研究方法热流平衡分析(PowerBal7 epb、ehp比较比较装置装置 ehp/epbASDEX3(锯齿锯齿:ST)DIII-D1(ECRH)DITE1(ECRH)FTU1.52.2(ST)ISX-B1(ST)JET2.5(ST)JT-60U2-4(ST)RTP2-4(ST,ECRH)TEXT2.25(ST)TFTR1-10(ST)TORESUPER2.5-3.5(ST)W7-AS1-1.5(ECRH)epb、ehp比较装置8引言（引言（3）输运研究基础的发展）输运研究基础的发展加热和电流驱动的发展加热和电流驱动的发展等离子体加料技术的发展等离子体加料技术的发展壁处理技术的发展壁处理技术的发展实验诊断的发展实验诊断的发展计算机能力的发展计算机能力的发展引言（3）输运研究基础的发展9引言（引言（4）约束模式及实验研究情况）约束模式及实验研究情况约束模式约束模式对输运的改变对输运的改变对涨落的影响对涨落的影响H-mode8889边边界界输输运运垒垒形形成成，e,e和和De降低，降低，H2。等等离离子子体体边边界界涨涨落落被被抑抑制制，中心的相关长度减小。中心的相关长度减小。杂质模如杂质模如RI-mode90等等在在NBI时时，e和和De降降低低，H1.8。磁磁场场涨涨落落降降低低，密密度度涨涨落落没没有变化。有变化。PEP模模25 e比比Alcator定定标标小小三三倍倍，i降到新经典值。降到新经典值。不是很清楚。不是很清楚。热离子模：热离子模：Supershot91 e,i和和 降降低低，e降降低低最最多多，H2。密密度度涨涨落落缓缓慢慢增增大大，相相关关长长度降低。度降低。VHmode92边边界界输输运运垒垒加加宽宽，e,i和和De降低。降低。密度涨落消失。密度涨落消失。高高-modes93高高-mode：H23高高 Hmode:H=3.6磁场涨落降低磁场涨落降低高高li模模94H3，有的，有的H li不清楚。不清楚。反剪切模反剪切模(RS)95H2.5密度涨落抑制密度涨落抑制提高的反剪切模提高的反剪切模(ERS)96内内部部输输运运垒垒的的形形成成，i和和De是新经典值，是新经典值，e降低。降低。等离子体中心涨落被抑制。等离子体中心涨落被抑制。引言（4）约束模式及实验研究情况约束模式对输运的改变对涨落10二、二、HT-7托卡马克电子能量平衡分析托卡马克电子能量平衡分析PoH:欧姆输入功率欧姆输入功率Prad:辐射损失辐射损失Pcond:热传导损失热传导损失Pconv:热对流损失热对流损失Pei:电子转移给离子的能电子转移给离子的能量量：Spitzer或新经典电或新经典电阻率阻率 ei:电子和离子碰撞频率电子和离子碰撞频率(1)(2)(3)(4)(5)二、HT-7托卡马克电子能量平衡分析PoH:欧姆输入11能量平衡分析所需的实验诊断能量平衡分析所需的实验诊断Te由由ECE测量；测量；ne由由5道远红外干涉仪测量，经道远红外干涉仪测量，经Abel变换得到其分变换得到其分布；布；Ti是是10道中性粒子能谱仪测量；分布认为与道中性粒子能谱仪测量；分布认为与Te相相同；同；辐射损失用辐射损失用16道道Bolometer测量，经测量，经Abel变换得到变换得到其分布；其分布；Zeff由由4道韧致辐射测量；道韧致辐射测量；Ip和和Vf用线圈测量；用线圈测量；杂质的弦平均辐射强度由转镜测量，经杂质的弦平均辐射强度由转镜测量，经Abel变换变换得到其体发射系数分布。得到其体发射系数分布。能量平衡分析所需的实验诊断Te由ECE测量；12欧姆功率的计算欧姆功率的计算Zeff取常数。取常数。欧姆功率的计算13辐射损失辐射损失随等离子体中心弦平均密随等离子体中心弦平均密度、电流的变化度、电流的变化随密度的变化随密度的变化（Ip=130KA,Bt=1.8T）O-硅化后硅化后50炮以内的值，炮以内的值，-硅化后放电硅化后放电250炮后的值，炮后的值，-硅化前的值。硅化前的值。随放电电流的变化随放电电流的变化(，Bt=1.84T）o-硅化后的值，硅化后的值，*-硼化后的值。硼化后的值。辐射损失随等离子体中心弦平均密度14一般认为，一般认为，De=Dim,ve=vim。我们用杂质输运程序拟我们用杂质输运程序拟合实验测量的杂质离子合实验测量的杂质离子体发射系数。体发射系数。热对流损失计算（热对流损失计算（1）以典型炮号以典型炮号34258#的的0.4s时刻为例时刻为例(Ne(0)1.5 1013/cm3，Ip=140kA）热对流损失计算（1）以典型炮号34258#的0.415热对流损失计算（热对流损失计算（2）拟合结果）拟合结果拟合拟合OV体发射系数的峰值体发射系数的峰值拟合拟合CIII体发射系数的峰值体发射系数的峰值热对流损失计算（2）拟合结果拟合OV体发射系数的峰值拟合C16热对流损失计算（热对流损失计算（3）+-PoHo-Pconv 100热对流损失计算（3）+-PoH17电子各能量损失项占总欧姆输入功率比例电子各能量损失项占总欧姆输入功率比例热输运项热输运项(主要是传导主要是传导项）占项）占64左右；左右；辐射损失约占辐射损失约占20；与离子碰撞转移给离与离子碰撞转移给离子的约子的约16。电子各能量损失项占总欧姆输入功率比例热输运项(主要是传导项）18 e的分布及误差分析（的分布及误差分析（1）假设环电压假设环电压5的误差，的误差，Zeff有有20的误差，密度的误差，密度有有10的误差，温度有的误差，温度有10的误差的误差时计算的结果。时计算的结果。其中其中1/2a处约为处约为25。通过改变各参量误差大小，通过改变各参量误差大小，结果发现结果发现 e对电子温度的对电子温度的误差最敏感。误差最敏感。e的分布及误差分析（1）假设环电压5的误差，Zeff19在同一炮放电的平顶段，在同一炮放电的平顶段，e值也比较平稳。值也比较平稳。e的分布及误差分析（的分布及误差分析（2）在同一炮放电的平顶段，e值也比较平稳。e的分布及误差分析20不同的离子温度分布对不同的离子温度分布对 e的分布影响不大。的分布影响不大。e的分布及误差分析（的分布及误差分析（3）不同的离子温度分布对e的分布影响不大。e的分布及误差分析21硅化硅化前后前后 e行为的比较行为的比较硅化后硅化后,e主要在主要在r0.5a区域内降低。区域内降低。硅化前后e行为的比较硅化后,e主要在r0.5a区域内22硼化前后硼化前后 e行为行为的比较的比较硼化后，硼化后，e在整个等离子体内均降低。在整个等离子体内均降低。硼化前后e行为的比较硼化后，e在整个等离子体内均降低。23 e(r=0.5a)随随 Ne(0)的增大而降低的增大而降低(Ip=140kA,Bt=1.8T)e(r=0.5a)随Ne(0)的增大而降低24(Ne(0)=1.0,Bt=1.84T)e(r=0.5a)随随 Ip的增大而增大的增大而增大e(r=0.5a)随Ip的增大而增大25 e(r=0.5a)随随Bt的增大而降低的增大而降低e(r=0.5a)随Bt的增大而降低26 e与欧姆情况下的定标比较与欧姆情况下的定标比较INTOR定标定标Merezhkin定标定标Coppi-Mazzucato定标定标e与欧姆情况下的定标比较INTOR定标27能量约束时间能量约束时间随随 Ne(0)和和Ip的变化的变化能量约束时间随Ne(0)和Ip的变化28能量约束时间实验值与忽略辐射损失后由经验公式能量约束时间实验值与忽略辐射损失后由经验公式估算值的比较估算值的比较。（-为实验数据计算的的值，为实验数据计算的的值，o-由由估算的值估算的值）能量约束时间实验值与忽略辐射损失后由经验公式29 e与新经典理论模型的比较与新经典理论模型的比较e与新经典理论模型的比较30反常输运目前提出的主要原因及模型反常输运目前提出的主要原因及模型漂移波不稳定性漂移波不稳定性静电漂移波模型静电漂移波模型在在低低 条条件件下下，磁磁场场扰扰动动B10，这这时时的的漂漂移移波波是是静静电电型型；包包括通行粒子的漂移不稳定性和捕获粒子不稳定性括通行粒子的漂移不稳定性和捕获粒子不稳定性。电磁漂移波模型电磁漂移波模型一一般般地地，当当时时电电磁磁漂漂移移波波比比较较重重要要起起来来；如如Horton电磁漂移波模型，电磁漂移波模型，Parail电磁漂移波模型等。电磁漂移波模型等。磁扰动引起的不稳定性磁扰动引起的不稳定性比比较较大大的的径径向向磁磁扰扰动动使使磁磁场场结结构构的的破破坏坏，引引起起比比较较大大的的横横向向输运；模式主要有：微撕裂模、电阻性压强梯度模输运；模式主要有：微撕裂模、电阻性压强梯度模(气球模气球模)等。等。反常输运目前提出的主要原因及模型漂移波不稳定性31硅化前硅化前 e与理论模型的比较与理论模型的比较等离子体中心比较符合等离子体中心比较符合Horton电磁漂移波模型：电磁漂移波模型：e 在边界比较符合在边界比较符合Parail电磁电磁漂移波漂移波模型：模型：e 硅化前e与理论模型的比较等离子体中心比较符合32硅化后硅化后 e与理论模型的比较与理论模型的比较在等离子体中心在等离子体中心仍然比较符仍然比较符合合Horton模；模；在在r0.5a区域，区域，Waltz静电静电漂移波比较符合实验值。漂移波比较符合实验值。e硅化后e与理论模型的比较在等离子体中心仍然比较符合Hor33硼化后硼化后 e与理论模型的比较与理论模型的比较在在r0.8a区域内均比区域内均比较符合较符合Horton电磁漂电磁漂移波模型。移波模型。硼化后e与理论模型的比较在r0.5a范范围围内内降降低低；硼硼化化后后 e值在整个区域内均降低。值在整个区域内均降低。四、总结（1）能量平衡分析壁处理后比壁处理前辐516.HT-7装装置置上上 e值值比比INTOR定定标标值值小小，数数值值大大小小与与Merezhkin定定标标和和Coppi-Merezhin定定标标差差不不多，但比两个定标更依赖于密度。多，但比两个定标更依赖于密度。7.能能量量约约束束时时间间在在所所研研究究参参数数范范围围内内随随密密度度的的增增大大而而增增大大，与与等等离离子子体体放放电电电电流流的的关关系系不不明明显。显。8.在在r0.5a区区域域内内，硅硅化化前前符符合合Parail电电磁磁漂漂移移波波模模型型，硅硅化化后后，符符合合Waltz静静电电漂漂移移波波模模型型。硼硼化化后后在在r0.8a区区域域内内，均均比较符合比较符合Horton模型。模型。6.HT-7装置上e值比INTOR定标值小，数值大小与M521.自自举举电电流流分分布布形形状状来来看看：硅硅化化和和硼硼化化后后，等等离离子子体体参参数数分分布布在在中中心心变变宽宽，靠靠近近边边界界的的压压力力梯梯度度变变大，自举电流的分布峰值靠近边界。大，自举电流的分布峰值靠近边界。2.自自举举电电流流分分布布占占总总电电流流分分布布来来看看：到到边边界界，壁壁处处理理后后比比未未做做任任何何壁壁处处理理前前自自举举电电流流成成分分大大，即即壁壁处处理理后后，靠靠近近边边界界，自自举举电电流流分分布布对对等等离离子子体体电电流分布贡献较大。流分布贡献较大。3.自自举举电电流流积积分分占占总总实实验验放放电电电电流流比比例例来来看看：壁壁处处理理后后，HT7装装置置上上的的自自举举电电流流占占总总放放电电电电流流的的比比例例有有增增大大的的现现象象，壁壁处处理理前前，不不超超过过总总电电流流的的5，但但硼硼化化和和硅硅化化后后达达到到10以以上上。由由于于边边界界处处对对应应的的半半径径大大，从从而而对对面面积积分分的的贡贡献献大大，即即自自举举电电流流比例的增大主要是来自等离子体边界的贡献。比例的增大主要是来自等离子体边界的贡献。总结总结（2）对）对HT-7装置自举电流进行估算，装置自举电流进行估算，得到了比较满意的结果。得到了比较满意的结果。自举电流分布形状来看：硅化和硼化后，等离子体参数分布在中心变534.自自举举电电流流成成分分与与等等离离子子体体压压强强梯梯度度关关系系密密切切，梯度越大，自举电流成分越大。梯度越大，自举电流成分越大。本本论论文文是是从从实实验验数数据据的的分分析析来来研研究究自自举举电电流流的的，确确切切的的研研究究需需要要结结合合输输运运程程序序，才才能能给给出出完完美美、自自洽洽的的结结论论。但但这这些些实实验验结结论论为为以以后后更更深深入入地地研研究究HT7、HT7U装置自举电流提供了基础。装置自举电流提供了基础。4.自举电流成分与等离子体压强梯度关系密切，梯度越大，自举541、尽可能地扩大研究的实验参数范围；、尽可能地扩大研究的实验参数范围；2、研究辅助加热情况下的热输运；、研究辅助加热情况下的热输运；3、开发输运程序，与实验研究相互补充，进一步对、开发输运程序，与实验研究相互补充，进一步对HT-7装置热输运进行分析、理解。装置热输运进行分析、理解。研究磁约束装置的热输运，是比较复杂而艰巨的任研究磁约束装置的热输运，是比较复杂而艰巨的任务，例如电子热扩散系数的定标，需要处理大量实验务，例如电子热扩散系数的定标，需要处理大量实验数据，且其它参数不变的情况下才能考察它与某一个数据，且其它参数不变的情况下才能考察它与某一个参数的定量关系，但是参数之间是相互影响的，很难参数的定量关系，但是参数之间是相互影响的，很难实现各个量独立变化。输运的研究需要从实现各个量独立变化。输运的研究需要从理论、实验理论、实验以及以及计算模拟计算模拟上同时进行，才能给出系统的比较准确上同时进行，才能给出系统的比较准确的结论，这需要巨大的财力和人力。希望更多的科研的结论，这需要巨大的财力和人力。希望更多的科研工作者加入输运研究的队伍来推动输运研究的发展、工作者加入输运研究的队伍来推动输运研究的发展、推动我们核聚变事业的发展！推动我们核聚变事业的发展！展展望望1、尽可能地扩大研究的实验参数范围；展望55博士期间发表的文章博士期间发表的文章1.张先梅等张先梅等,计算物理计算物理,16,(2019)606。2.ZhangXianmei,etal.,PlasmascienceandTechnology,2,(2000)295.3.ZhangXianmei,etal.,1stIAEATCM/AFERST,Chengdu,China,Oct.30Nov.3,(2000)D4.4.张先梅等张先梅等,物理学报，物理学报，50,(2019)715.5.ZhangXianmei,etal.,ChinesePhysicsLetters,18，(2019)1090.6.WanBaonian,ZhangXianmei,etal.,Nucl.Fusion,39,(2019)1865.7.J.S.Mao,J.Y.Zhao,X.M.Zhang,et al.,2000 InternationalConference on Plasma Physics(ICPP)Oct.23,2000,Quebec City,Canada.8.X.Gao,X.M.Zhang,et al.,Plasma Phys.Contr.Fusion,41,(2019)1349.9.X.Gao,X.M.Zhang,etal.,J.Nucl.Mater.,279,(2000)330.10.X.Gao,X.M.Zhang,etal.,NuclearFusion,40,(2000)1875.11.11.J.S.Mao,X.M.Zhang,etal.,Nucl.Fusion,已接收已接收博士期间发表的文章1.张先梅等,计算物理,16,(56致致谢谢首先衷心感谢的是我的导师万宝年研究员。本论文工作是在他的悉心指导和严格要求下完成的。是他引导着我从熟悉该课题的基础知识开始，一步步深入地做下去。每次遇到问题请教他时，万老师总能分析得清晰简洁，并把相关知识融会贯通，加深我的理解、扩展我的知识面。万老师扎实的物理基础、敏锐的洞察力、严谨的科研作风以及对事业的执着和献身精神将对我以后的学习和工作产生巨大影响。感谢毛剑珊研究员平时对我学习和工作的关心和鼓励，尤其在论文撰写过程中提出了许多宝贵的意见。感谢张澄研究员、俞国扬研究员以及王少杰研究员曾在百忙中抽出时间为我解答问题。曾多次请教过赵君煜、吴振伟两位老师有关装置的问题，在此表示感谢。感谢那些为HT7实验日日夜夜坚守在工作岗位的老师和同学。由于我的论文需要等离子体稳态放电以及几乎所有诊断的数据，是他们辛勤的工作，HT7实验才能稳态运行，并提供可靠的诊断数据，我才能获得大量的实验数据来完成我的博士论文工作。感谢丁伯龙老师、刘胜侠老师、秦国斌同学以及叶薇薇等诊断组的同事不厌其烦地提供部分处理数据，感谢崔凝卓提供反演程序。如果没有他们的帮助，我的博士论文工作很难顺利完成。感谢研究生部董俊国、张英、高成云以及张彦秋四位老师几年来的热情关怀和帮助。致谢首先衷心感谢的是我的导师万宝年研究员。本论文工57风景这边独好衷心感谢论文把关、评阅老师，衷心感谢论文把关、评阅老师，非常感谢参加今天论文答辩的老师。非常感谢参加今天论文答辩的老师。风景这边独好58HT-7托卡马克欧姆放电时的电子热输运分析课件5959