聚變等離子體中的湍流和輸運

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1、聚變等離子體中的湍流和輸運徐國盛，萬寶年，張煒，凌必利，李亞東，林士耀中國科學(xué)院等離子體物理研究所，合肥市1126信箱，郵編230031摘要：過去二十年對等離子體約束的研究已經(jīng)顯示出等離子體橫越磁場的輸運主要是由低頻漂移波湍流所驅(qū)動的。本文簡要綜述了在磁約束聚變領(lǐng)域中對湍流和輸運研究的歷史和現(xiàn)狀。從上個世紀(jì)60年代，初步的等離子體湍流理論的建立至今，伴隨著全世界范圍內(nèi)的磁約束聚變能研究，已經(jīng)發(fā)展了大量的理論模型和數(shù)值模擬代碼，并積累了豐富的實驗結(jié)果。對于低頻等離子體湍流所造成的橫越磁場的粒子、熱能和動量輸運已經(jīng)獲得了較為深刻的理解。未來要實現(xiàn)聚變反應(yīng)堆的高經(jīng)濟性能，需要我們對等離子體輸運

2、獲得完全的理解，并找到有效的控制手段。以往用來預(yù)測未來聚變裝置中等離子體約束性能，主要是通過經(jīng)驗定標(biāo)率外推。這些是不夠的，目前迫切需要的是在已經(jīng)獲得的理解的基礎(chǔ)上建立全面的可用來做預(yù)測的輸運理論模型以及相應(yīng)的數(shù)值模擬代碼。獲得可預(yù)測能力對于耗資巨大的聚變能發(fā)展來說是至關(guān)重要。各種空間不均勻性都可能成為不穩(wěn)定性的驅(qū)動源，相應(yīng)的產(chǎn)生了大量的微觀不穩(wěn)定性理論模型，在不同的等離子體參數(shù)范圍、不同時空尺度、不同的輸運通道適用不同的模型，至今沒有一個適用于各種情況下的被普遍接受的模型。在現(xiàn)有的這些理論模型中，有幾個主要的候選。等離子體芯部高溫低碰撞區(qū)耗散捕獲電子模（TEM）是主要的候選；等離子體周邊

3、溫度較低區(qū)域，非線性驅(qū)動的環(huán)形電子漂移模可能克服磁剪切阻尼而不穩(wěn)。在等離子體邊界的低溫高碰撞區(qū)一些流體模型如電阻氣球?？赡苓m用，邊界的情況比較復(fù)雜，一些原子過程如電荷交換和復(fù)合也可能起作用。實驗中觀察到邊界相對較高的漲落水平，這些邊界的漲落到底是來源于邊界特有的不穩(wěn)定性模式還是與芯部相同的模式，或者是芯部的漂移波傳播過來的，至今仍然不清楚。70年代以后高功率中性束和離子回旋加熱發(fā)展起來了，離子被加熱到超過了電子溫度，鑒于離子通道對于熱核反應(yīng)的重要性，離子溫度梯度模（ITG）得到了長足的發(fā)展。這是環(huán)形幾何下的一支聲波，16在平坦密度分布、陡峭離子溫度分布的區(qū)域不穩(wěn)定。ITG除了有較成熟的理

4、論還發(fā)展了大型的回旋流體和回旋動力學(xué)代碼。現(xiàn)在普遍認(rèn)為離子通道已經(jīng)能夠成功的用ITG定量解釋。在高約束狀態(tài)下芯部離子通道損失降到了接近新經(jīng)典水平，但是電子通道還是高度反常的。理解電子熱輸運仍然是現(xiàn)在最大的挑戰(zhàn)，未來反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱平衡等離子體的電子溫度將接近離子溫度，電子通道不可忽視。近20年電子回旋加熱等局部電子加熱手段的發(fā)展使得在電子和離子解耦的條件下專門研究電子通道成為可能。和ITG對偶的電子溫度梯度模（ETG）可能限制了梯度進一步的提高。實驗中確實觀察到的電子、離子溫度分布都有閾值現(xiàn)象（stiffness）。但是ETG是短波長的模式，診斷能力限制了對這一時空尺度模式的實驗驗證，現(xiàn)在正

5、在發(fā)展相應(yīng)的診斷。ITG湍流自生的剪切層流“zonalflows”會破壞徑向拉長結(jié)構(gòu)，從而減小輸運。ETG會形成所謂“streamers”的徑向拉長結(jié)構(gòu)增大徑向輸運尺度。對于ETG考慮電子慣性，磁漲落變的不可忽略。磁擾動對電子熱輸運的影響仍然不清楚，產(chǎn)生磁擾動的還有微撕裂模，漂移波也可能和阿爾芬波耦合，尤其在高b情況下可能起作用?？傊?，這一領(lǐng)域發(fā)展至今已經(jīng)能夠解釋大部分磁約束等離子體中的輸運現(xiàn)象，但是還有許多未解決的問題，例如反常電子熱輸運以及相關(guān)的許多反?，F(xiàn)象。半個世紀(jì)的發(fā)展已經(jīng)使這個領(lǐng)域形成了龐大的體系，本文只是簡述了主要脈絡(luò)，希望能起到拋磚引玉的作用。1.實現(xiàn)經(jīng)濟的核聚變能源需要達(dá)

6、到等離子體高約束性能，必須建立在對基本輸運過程理解的基礎(chǔ)上，所以等離子體輸運一直是磁約束聚變的一個主要研究方向。ITER項目以及建造未來的聚變反應(yīng)堆耗資巨大，因此對獲得可預(yù)測能力提出了強烈的需求，以建立政府和公眾對投資和發(fā)展聚變能的信心。2.觀察到的輸運水平通常遠(yuǎn)超過碰撞和環(huán)形效應(yīng)造成的新經(jīng)典水平，因此稱之為反常輸運。過去二十年對等離子體約束的研究已經(jīng)顯示出等離子體橫越磁場的輸運主要是由低頻（遠(yuǎn)低于離子回旋頻率）漂移波湍流所驅(qū)動的。所以輸運研究的對象主要是等離子體湍流。3.從上個世紀(jì)60年代，初步的等離子體湍流理論的建立至今，伴隨著全世界范圍內(nèi)的磁約束聚變能研究，已經(jīng)發(fā)展了大量的理論模型

7、和數(shù)值模擬代碼，并積累了豐富的實驗結(jié)果。對于低頻等離子體湍流所造成的橫越磁場的粒子、熱能和動量輸運已經(jīng)獲得了較為深刻的理解。4.其中離子熱輸運被認(rèn)為理解的最清楚，這主要是得益于90年代ITG理論及其數(shù)值模擬長足的發(fā)展。主要是ITG類長波長湍流，與自生的“剪切層流”（zonalflows）以及E′B流相互作用，并受到磁剪切和等離子體形狀的影響，形成多尺度湍流結(jié)構(gòu)。計算得到的輸運系數(shù)和實驗觀察值最為接近。ITG之所以發(fā)展的最充分，除了離