聚变等离子体中造成湍流的不稳定模式 - 中国科学院等离子体物理研究所.DOC

聚变等离子体中的湍流和输运 徐国盛，万宝年，张炜，凌必利，李亚东，林士耀 中国科学院等离子体物理研究所，合肥市1126信箱，邮编230031 实现经济的聚变能源需要等离子体高约束性能，必须建立在对基本输运过程理解的基础上，所以等离子体输运一直是磁约束聚变的一个主要研究方向。ITER项目以及建造未来的聚变反应堆耗资巨大，因此对获得可预测能力提出了强烈的需求，以建立政府和公众对投资和发展聚变能的信心。 观察到的输运水平通常远超过碰撞和环形效应造成的新经典水平，因此称之为反常输运。过去二十年对等离子体约束的研究已经显示出等离子体横越磁场的输运主要是由低频（远低于离子回旋频率）漂移波湍流所驱动的。所以输运研究的对象主要是等离子体湍流。 从上个世纪60年代，初步的等离子体湍流理论的建立至今，伴随着全世界范围内的磁约束聚变能研究，已经发展了大量的理论模型和数值模拟代码，并积累了丰富的实验结果。对于低频等离子体湍流所造成的横越磁场的粒子、热能和动量输运已经获得了较为深刻的理解。 其中离子热输运被认为理解的最清楚，这主要是得益于90年代ITG理论及其数值模拟长足的发展。主要是ITG类长波长湍流，与自生的“剪切层流”（zonal flows）以及E(B流相互作用，并受到磁剪切和等离子体形状的影响，形成多尺度湍流结构。计算得到的输运系数和实验观察值最为接近。ITG之所以发展的最充分，除了离子通道对于热核反应重要性的驱动作用之外，主要是因为只涉及到离子时空尺度，数值模拟较容易。跨越离子和电子宽广时空尺度的湍流模拟还未发展到成熟。现在正在发展。 电子热输运是没有搞清楚的。电子通道的损失对未来反应堆的重要性在于，聚变产生的(粒子主要加热电子，导致稳态热平衡等离子体的Te将接近Ti，理解电子热输运仍然是现在最大的挑战之一。现在大装置的实验中普遍能够获得芯部高约束的内部输运垒，在ITB芯部离子通道损失降到了接近新经典水平，说明离子尺度（大尺度）的湍流被基本抑制住了，但是电子通道还是高度反常的。现在普遍认为输运垒是E(B流剪切、磁剪切以及等离子体位移共同作用的结果。一种合理的可能性是存在更小尺度的湍流模式，如ETG。流剪切因为尺度大，不能对其有效抑制。但问题是小尺度湍流驱动输运的步长短，能不能产生足够大的输运来解释实验中观察到的输运率？于是理论提出径向拉长的结构“径向穿流”（streamers），各种模拟中也普遍观察到。实验中也有一些似是而非的观察证据，但径向穿流是否存在，能不能解释观察到的输运率仍然是一个未解决的问题。和电子输运通道相关的还有一系列的反常现象需要解释，如热脉冲反常高速传播等。 粒子输运也有一些不清楚的地方。粒子输运和两个热输运通道是相互关联的，驱动两个热输运通道的湍流模式没有确定，粒子输运同样不能确定。粒子输运的复杂性还来自于存在边界和芯部粒子源，扩散和对流的相对重要性，反常箍缩（pinch）的存在。其中反常箍缩是输运通道之间交叉耦合的结果，强烈依赖湍流模式，因此也不能确定。在ITB，离子尺度湍流被抑制的情况下，新经典扩散和箍缩的效应可能显现出来。 动量输运和旋转是最不清楚的。有多方面的原因，等离子体自发环向旋转的动量源不清楚，动量陷中与误差场的共振和非共振相互作用也不清楚。因为通常托卡马克理论中取环对称处理，所以不能够描述主离子的环向旋转，杂质离子的环向旋转可以用新经典摩擦来解释。需要扩展新经典理论到环向非对称磁场位形的情况。极向旋转大部分可以用新经典来解释。如离子轨道损失驱动和新经典粘滞阻尼。但是湍流驱动和输运的内外侧不对称性这些可能的动量源在有些情况下可能起主要作用。在L-H转换中的快速（小于离子离子碰撞时间）极向旋转加速不能用标准新经典理论来解释，因此需要扩展新经典理论。动量输运定标研究开展得也相对不充分。 新经典输运理论的兴趣回温。主要是因为在ITB离子尺度湍流被基本抑制住了，离子通道损失降到了接近新经典水平，需要用新经典来解释ITB里剩余的输运。靴带电流需要用新经典来解释。在碰撞区的极向旋转和杂质离子环向旋转也基本是新经典的，能够用来重建径向电场。剩下的问题包括：反剪切位形下磁轴附近的离子热输运和靴带电流，低碰撞区强辅助加热下的极向旋转。鉴于现在普遍认为旋转对于抑制湍流输运的重要性，新经典在解释旋转中的作用受到重视，但是当湍流驱动和输运的内外侧不对称性驱动成为主导的动量源的时候，旋转就不完全是新经典的了。 计算机技术和计算科学的迅猛发展使得模拟现实条件下的等离子体逐渐成为可能。使我们获得了除了经验定标途径（全局参数定标和无量纲参数定标）之外的另一个预测未来反应堆等离子体性能的途径。大型非线性湍流模拟除了用来验证主要的输运理论模型之外还用来直接和实验测量比较，并逐渐成为解释实验结果的常规手段。实验和模拟之间直接和定量的比较增强了我