33托卡马克加热(NBI)

5.3中性束注入（NBI，NeutralBeamInput）加热为什么不直接利用高能离子束？磁场可以约束离子，使之不能逃出托卡马克，同理外部高能离子束也被磁场约束，不易于进入托卡马克内部。所以，需要在离子进入托卡马克前，将离子束中性化――中性束。产生中性束的工作原理图（JET，正离子源）产生中性束系统示意图、实物照片（JET）偏转低能离子（离子吞食器物）抽走低能中性粒子粒子电荷交换A＋(高能)＋BA（高能）＋B＋中性束系统示意图――――――――――――――――――――――――――――（下图：用于JET的正离子源，采用热阴极＋磁约束）――――――――――――――――――――――――――――实物照片托卡马克一侧（下图：用于ASDEX-U的正离子源的内部结构，采用RF感性耦合，图中澡盆状部件为法拉第屏蔽，铁箍状部件为射频线圈）――――――――――――――――――――――――――――中性束加热中的一些问题（1）中性束原子的选用在开始放电的初始建立阶段，等离子体温度不高，不能产生核反应，可以用H原子中性束加热。在点火、燃烧阶段，可以采用D中性束。（2）中性束注入位置、方向中性束注入位置：在托卡马克的赤道面注入，通过最长，密度最大的区域。注入方向：平行于环向，垂直于环向。垂直注入优点：窗口设计简单；缺点：加热后离子的垂直磁场能量大，容易进入香蕉（俘获）轨道。在纹波度大的环向磁场中，俘获快离子引起纹波扩散，碰撞溅射托卡马克壁，造成杂质污染。平行注入：缺点：窗口设计较复杂占用空间大；优点：电离距离长，产生穿行离子。注入方向可以平行、反平行托卡马克电流方向。粒子轨迹在小圆上的截面为是香蕉形状NB具有动量，单向平行注入会产生等离子体沿大环方向旋转，可以采用对称双向注入。实验发现等离子体环向旋转可以触发L-H约束模式转变（有益！），所以一般采用单向平行注入。（3）中性束与托卡马克plasma的作用过程：电离、高能离子慢化中性束的电离有几个过程：与电子、离子碰撞电离，电荷交换。在低能区：电荷交换占主导（A＋(高能)＋BA（高能）＋B＋），中性粒子能量转化为带电粒子能量；在高能区：高能中性原子与电子的碰撞电离（在高能区主要为多级电离）占主导。当中性粒子被电离后，高能离子被约束在香蕉、通行轨道上。如果高能离子的约束时间长，将通过与其他粒子碰撞传递能量，自身速度降低（碰撞慢化，slowdown）。（4）托卡马克的芯部加热中性加热要求其能量沉积在托卡马克芯部，对于大托卡马克（如ITER），要求中性束到达芯部，需要提高中性束能量相应要求提高离子源D离子能量，在ITER上，要求离子能量达到0.25-0.5Mev。（5）增加D离子能量出现的问题在需要高于0.1Mev的中性束（相应地，离子能量需要高于0.1Mev）时，如果仍然采用正离子中性化方法，中性化效率下降（参见下图）。――――――――――――――――――――――――――（上图：离子中性化率随离子能量（Kev）的变化）说明1：正离子源中有多种离子成分，原子离子、分子离子说明2：正离子的中性化率不是100%，而且中性化率不随中性化室长度增加而单调提高，有最佳长度，和最大中性化率。―――――――――――――――――――――――――――――解决方法：采用负离子＋中性化方法。负离子的产生方法/途径（两种，结合下面两图说明）：【负离子有两种产生方式】：（1）在体相产生负离子：在相对高的高能电子作用下，产生高振动能态的分子，高振动能态的分子在分解时俘获低能电子(dissociativeattachment）。22()()HefastHve2()(1.0)HveeVH该方式的产生效率高。体相产生负离子的要求：需要磁场隔离or磁过滤（magneticfilter）高能电子、低能电子区（参考上图中结构，下图中的结果。）（上图：负离子源中电子温度的轴向分布）（2）在表面产生负离子：原子从涂敷铯壁上碰撞弹开时，产生负离子。为了获得高速率负离子产率，需要提高原子密度、能量，负离子的原始能量较高。负离子源的重点问题：――负离子的高效率产生；――负离子的加速（电子需要控制，采用横向磁场阻挡电子，仅引出负离子）。负离子中性化方法：不同于正离子电荷交换方法；具体方法为：负离子和热分子气体作用，将负离子的电子剥离，剥离效率高达60%。采用高电离率的plasma替代热分子气体，效率可以进一步提高到80%。（6）ITER上的基于负离子源的中性束指标D0，1MeV，acurrentof40A，50MW，threeunits.（日本JT-60U的负离子源**，拿到N-NBI的发包）。2003已实现指标：功率－－5.8MW，中性束能量――0.4Mev，时间――10s计划指标：功率－－10MW，中性束能量――0.5Mev，时间――10s（日本研究人员正在装配负离子源）（7）正、负离子源的中性束加热技术比较正离子比负离子容易产生，低能NBI均使用基于正离子源的NBI负离子不容易产生，电子容易失去，但中性化效率高。正离子源中，加负偏压引出后，负离子被阻止，但正离子中有各种成分，如分子离子D2+，D3+，加速后得到的能量均相同E0，经过中性化，进入等离子体分解、电离后，每个原子得到的能量为E0/2,E0/3,这些能量低，沉积在托卡马克等离子体的边缘区，P－NBI功率沉积区域宽。负离子源成分单一，对应NBI的功率沉积区域窄。N-NBI技术相对复杂，效率低，成本高产生区：高能电子、低能电子需要隔离；引出区：负离子、电子需要控制，采用横向磁场阻挡电子，仅引出负离子。（8）中性束加热技术优点加热效率高；对NBI加热对等离子体的变化不敏感，不受托卡马克等离子体形状、分布。（波加热对等离子体变化敏感，原因：存在阻抗匹配问题）；不受加热过程中伴随现象的影响，边缘局部模、锯齿波、不同运行模式过渡等变化的影响。（9）国内（等离子体所）的中性束加热发展简介1978年（建所前）即开始研究，建所后设立了专门的研究室（四室）；研发的离子源（潘宁源）直径：7,10,15cm；在HT-6M上进行过中性束（100KW）加热实验，有明显的离子加热效果；1988年，建立直径为15cm的离子源，要求几十万升抽速低温泵，当时液氮、液氦价格高，经费支持不够，该方向的研究计划暂停，撤销第四研究室，有关人员开辟新的研究方向（低能离子与生物作用）。2002年起，国家对聚变研究加大投入，等离子体所重新开始中性束注入研究。近年进展：---EAST装置辅助加热系统”是国家“十二五”大科学工程，2010年7月正式立项。---2012年1月14日EAST中性束注入系统（NBI）测试台首次成功调试。---指标：束能量50千伏，束流22安培，束脉宽106毫秒的引出束流，离子束功率达到1．1兆瓦。----最终目标――2至4兆瓦中性束注入系统的研制提供强有力的可靠支持。EAST对NBI要求：源的数量：两个中性束能量：40-90Kev（仍然使用正离子源）；注入功率：3-4MW；引出粒子：H，D，He束。脉冲宽度：100-1000S5.4粒子加热（简单介绍）在有D、T聚变反应[D+T→4He(3.52MeV)+n(14.06MeV)]的托卡马克装置中，带电离子中有高能的粒子。粒子的能量远高于本底的氘氚离子的能量，其密度则要低很多。离子与其它粒子碰撞，将能量传递给D、T离子、电子。当聚变反应速率足够高时，由聚变产生粒子可以维持氘氚等离子体处于高温状态，使聚变反应持续进行。这个过程称为粒子的自加热，也是建堆发电的物理基础。――――――――――――（加热部分结束）―――――――――――――――――6.托卡马克非感性电流驱动6.1为什么需要等离子体电流（前面已讲述）若没有等离子体电流，仅存在外部纵向磁场时，磁场由为同心圆的磁力线组成，在该种磁场中，带电粒子受两种向外的力：（1）离心力――运动的带电粒子沿磁力线运动，受向外的离心力。（2）磁梯度力――环内侧的磁场强度大于外部，带电粒子受向外的磁驱动力。在上述两种力的作用下，不同电荷产生不同方向的漂移，即电荷分离，由此形成空间电场。该空间电场与磁场的EXB漂移又驱动等离子体整体向外运动。结论：简单圆环磁场不能有效地约束带电粒子。（简单圆环磁场中不同带电粒子的漂移运动）克服电漂移的方法：使磁力线旋转，同一根磁力线既经过环的上面，又经过环的下面，从而抵消电荷积累。磁场旋转方法――在托克马克中产生沿环向的电流由此产生小环向磁场――托卡马克磁位形。在螺旋场中，相对于磁轴而言，带电粒子的位置不断变化，其对应的漂移方向也改变（在大环内侧，漂移运动指向磁轴，在大环外侧，漂移运动偏离磁轴），平均而言，带电粒子在磁轴附近运动，形成良好的约束。6.2为什么需要非感性电流驱动环向电流可以由变压器产生（感性电流驱动），但由变压器提供的磁通变化总是有限，对应等离子体电流维持时间有限，这决定纯粹的变压器托卡马克只能进行秒级脉冲运行。聚变反应堆电站要求能够长时间稳定地提供功率输出，所以，托卡马克必须通过其他非感应的电流驱动方式来获得更长的运行时间。20世纪70年代有人提出了非感性电流驱动（不借助变压器产生驱动电流的涡旋电场）环向电流的设想，并在托卡马克实验中得到证实。6.3托卡马克运行对非感性电流驱动的基本要求可以在高密度托卡马克等离子体中驱动电流原因：在托卡马克运行趋于能量平衡、自持运行、建堆发电的过程中，需要增加等离子体密度。电流驱动的效率高原因：由此可以相应降低所需驱动源功率。局域电流驱动原因：控制电流分布，得到好的磁场位形***非感性电流驱动主要方法、基本原理问题及其问题（1）NB电流驱动（a）电流驱动方法NB垂直注入等离子体，只起加热作用，产生的快离子大部分被俘获在香蕉轨道上；NB切向注入（大环方向），不仅可以加热等离子体，而且beam还可以在注入方向产生快离子（以电荷交换方式），形成环向电流；问题：电子与beam快离子、plasma离子的碰撞后，在注入方向上产生定向电子流，电子流与快离子流同向，降低了NB驱动电流。（b）NBI驱动电流与电子温度的关系（c）NBI驱动电流的优点电流驱动效率随电子温度提高而非线性增加（与变压器驱动电流特性相反，适用建堆发电时的运行）；与等离子体的耦合技术简单，对物理过程有相对充分的了解；（2）电子回旋电流驱动（ElectroncyclotronCurrentDrive，ECCD）电磁波驱动电流的一般原理有直接驱动、间接驱动两种；直接驱动：电磁波在托卡马克环向（纵向）上直接与电子作用，加速电子形成定向电流；间接驱动：在垂直（相对于纵向磁场而言）方向上，电磁波与电子产生回旋共振作用，电子垂直磁场的能量增加，由此间接产生环向电流（具体驱动机理如下）电子回旋电流驱动原理（属间接驱动）电子回旋电流驱动效率（a）如上面所述：如果电子在合适的方向（低场注入时，电子顺着波传播方向运动）的电子数目多，ECCD效率高。具体实施方法：先通过低杂波驱动电流（电子流），在加上ECW电流驱动。该效应称为协同（synergyeffect）。同样，ECCD也可以作为辅助电流驱动方式，协助其他电流驱动。（b）电流驱动效率随电子温度提高而增加（电子温度提高，碰撞频率降低，由电磁波获得的定向电子流容易保持）；但随电子密度增加而降低（碰撞频率随电子密度增加而提高）；（c）在偏轴位置（off-axis），电流驱动效率低，原因：该区的俘获电子多（在香蕉区内往返运动），不能形成环向电流。电子回旋电流驱动的优点由于采用回旋共振方式，可以在局部空间驱动电流，控制等离子体电流径向分布，抑制特定磁面上的MHD不稳定性（如：在q＝2的磁面上驱动电流，可以抑制m＝2的撕裂模――tearingmode）（3）RF波电流驱动RF波电流驱动与波入射方向射频波入射方向决定了它是否只有加热作用，还是兼有加热、驱动电流作用。垂直磁力线入射的只起加热作用；E3.电子顺着波传播方向运动，由Doppler效应，此运动方向上