第四章,等离子体约束和输运

第四章 新经典效应4.1 新经典输运模型1．经典输运模型磁化等离子体的经典输运过程可以用双流体近似来描述。

在稳态输运时，可以忽略惯性项，有()n q n T T n n m n m c a a a a a a aa a a a a ab a b a b n n 骣´÷ç÷ç+-??+-÷ç÷ç桫u B E u u u 。

这里i,e =a ，右边第一项是自碰撞（a n ），第二项是互碰撞，且有ab ba n n n =?，e m m m m m m ab a b a b =+?/()。

考虑横越磁力线的扩散。

如果磁场在z 方向，引入x y u iu =+u ，我们有21()e e cee i e ee e een e i T m m n n n n u Ñ+-W -=?-?u u A E ，21ci ci i i ci i e i i i ce cei iin e i T m m n n n n u 骣W W ?÷ç÷ç++W -=??÷ç÷çW W 桫u u A E 。

有20()cii e ce i e cei n n n W W =+-W +W u A A ， 20ci e i ci e i cei n n n 骣W ÷ç÷W =++W +ç÷÷çW 桫u A A ， ()220()//e ce i ci ce ci ci cei i n n n n n W ?-W +W W +W -W W2200()i e ci ce ce i R I i i n n n n ?+W W -W 篧+W 。

1） 强磁化弱碰撞 ,,,ce ce i e νννΩΩ>>对于强磁化弱碰撞的托卡马克等离子体，近似有20cice W 籛W/i i ci i ?W u A ，/e e cei 籛u A 。

稳态高约束模式等离子体运行是什么稳态高约束模式等离子体运行是什么?实现高性能等离子体稳态运行是未来聚变堆必须要解决的关键科学问题。

近期，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所核聚变大科学团队发挥体系化建制化优势，取得了系列原创性的前沿物理基础研究成果。

1月7日，国际学术期刊《科学进展》(Science Advances)发表了团队在高能量约束先进模式等离子体运行方面取得的重要成果。

托卡马克先进运行模式是当前磁约束核聚变研究的热点之一。

核聚变大科学团队在托卡马克装置等离子体物理实验研究中发现并证明了一种新的高能量约束和自组织模式，即超级I模(Super I-mode)。

其特点是等离子体中心的电子内部输运垒和等离子体边界的I模共存，从而大幅度提高了能量约束。

该先进模式具有芯部无杂质积累，便于聚变反应生成物排出，维持平稳温度台基等优点，并实现了芯部高约束与无边界密度台基及边界不稳定性的兼容，使得等离子体与壁相互作用同长时间尺度上的高性能等离子体运行方面的优势能够比较好地结合起来。

这种无需通过外部控制来确保等离子体稳态运行的高能量约束模式，可应用于国际热核聚变实验堆长脉冲运行，对于未来聚变堆运行具有重要意义。

日前，核聚变大科学团队还首次证明了托卡马克等离子体中存在湍流驱动的电流成份，是保持高电子温度稳定运行的关键物理机制。

借助湍流回旋动理学模拟计算证实了实验中观察到的湍流是电子温度梯度模，其产生的剩余协强可驱动这一电流。

湍流驱动的电流和压强梯度共同驱动内扭曲模，形成湍流-湍动电流-内扭曲模自我调节系统，从而维持芯部电子温度梯度稳定。

相关研究成果日前发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

此外，核聚变大科学团队在托卡马克装置中外联合实验中利用封闭偏滤器下的杂质注入脱靶控制，以及高极向比压运行模式下双输运垒带来的约束增强，实现了高比压高参数芯部等离子体与偏滤器全脱靶状态的有效兼容集成。

核聚变反应堆设计的关键技术核聚变作为一种潜在的清洁能源，具有能量输出巨大、燃料来源丰富以及对环境友好等显著优势。

然而，要实现可控核聚变并将其用于实际的能源生产，需要克服众多技术难题。

其中，核聚变反应堆的设计涉及到一系列关键技术，这些技术的突破和优化对于推动核聚变能源的发展至关重要。

首先，等离子体的约束和控制是核聚变反应堆设计的核心问题之一。

在核聚变反应中，需要将高温、高能量的等离子体约束在一个有限的空间内，并使其保持足够长的时间，以实现有效的核聚变反应。

目前，主要的等离子体约束方式有磁约束和惯性约束两种。

磁约束是通过强大的磁场来限制等离子体的运动，最具代表性的装置是托卡马克。

托卡马克装置利用环形磁场和极向磁场来约束等离子体，使其在环形真空室内稳定运行。

为了实现良好的等离子体约束，需要精确设计磁场的分布和强度，同时还需要解决等离子体的不稳定性、杂质输运等问题。

此外，高温等离子体与装置壁材料的相互作用也会影响等离子体的约束性能，因此需要选择合适的壁材料和优化壁处理技术。

惯性约束则是利用高功率激光或离子束等手段，在极短的时间内将燃料小球迅速压缩并加热至核聚变反应所需的条件。

在惯性约束过程中，需要精确控制激光或离子束的能量分布和聚焦特性，以实现燃料的均匀压缩和加热。

同时，还需要解决燃料小球的对称性、流体力学不稳定性等问题，以提高核聚变反应的效率和能量输出。

其次，核聚变燃料的选择和供应也是一个重要的技术问题。

目前，最常用的核聚变燃料是氘和氚。

氘在自然界中相对丰富，可以从海水中提取；而氚则具有放射性，需要通过核反应来制取。

因此，在核聚变反应堆的设计中，需要考虑燃料的提取、储存、运输和注入等环节。

对于燃料的注入，需要保证燃料能够均匀地分布在等离子体中，以提高核聚变反应的效率。

同时，还需要控制燃料的注入速度和量，以避免对等离子体的稳定性产生不利影响。

此外，燃料的循环利用也是一个需要考虑的问题，通过回收未反应的燃料和产物，可以提高燃料的利用率，降低成本。

IV 托卡马克等离子体的约束模式从上世纪六十年代以来，全世界已建造了大量的托卡马克实验装置，其中特别重要的如JET(欧洲联合环)，JT-60（日本），TFTR (PPPL ，US), DIII-D(GA,US ) 等四个超大装置， 以及以ASDEX, ADDEX-U(德)，TORE-S (超导，法)， ALCATOR-CMOD (强磁场，US), FT (强磁场，意大利)， TEXTOR(德)，TCV (瑞士)，T-10 (俄)，TEXT( US), HL-1（中国乐山），HT-7（超导，中国合肥）等大装置，以及近期投入运行的HL-2A （中国成都），EAST(超导，中国合肥)等新装置，都对托卡马克的等离子体的约束特性做了大量的研究。

其中四个特大装置的等离子体参数都达到聚变堆所要求的水准，即形成了堆芯等离子体（等离子体温度10keV 量级）。

所有的装置都以欧姆加热所形成的初始等离子体为基准，进行了不同程度的高功率加热，包括中性束注入（Neutral Beam Injection, NBI ），离子回旋频段波加热 ( Ion Cyclotron Frequency Range Heating, ICFRH)，低混杂波电流驱动和加热 ( Lower Hybrid Wave Current Drive & Heating ，LHCD&LHH) 电子回旋共振加热 ( Electron Cyclotron Resonance Heating, ECRH) 等。

所积累的数据库包含极其丰富的各类信息。

对托卡马克等离子体约束规律的研究的最有效的推动是ITER 设计。

历时两年多（1988-1990）的ITER 的物理设计及跟着进行的近十年（1991-1999）的工程设计，以及几乎又是快十年的后续更新设计（2000-2007），使得对这些规律的认识极大地得到深化。

形成了托卡马克型反应堆物理和工程设计的基础。

磁约束聚变机边缘等离子体现象-概述说明以及解释1.引言1.1 概述磁约束聚变机是一种利用磁场约束等离子体实现核聚变反应的设备。

它以类似于太阳的方式产生高温等离子体，使得核聚变反应得以发生。

在磁约束聚变机中，边缘等离子体是一个重要的研究对象。

边缘等离子体是指位于等离子体与真空之间的区域，它处于磁约束聚变机中等离子体与真空之间的交界处。

由于该区域的特殊性质，边缘等离子体的物理现象与等离子体的核心区域存在较大差异。

边缘等离子体的形成机制是多种因素共同作用的结果。

首先，磁场对等离子体的约束作用不是完全均匀的，磁场强度在等离子体的边缘会逐渐减弱。

其次，等离子体与真空之间存在强烈的相互作用，包括等离子体颗粒的损失以及与边界壁的相互作用。

此外，等离子体的粒子运动与能量传输也会在边缘等离子体中发生显著变化，这些变化将直接影响整个等离子体体系的性能。

对于磁约束聚变机而言，边缘等离子体的特性对其性能具有重要影响。

边缘等离子体的稳定性、热输运以及粒子损失等现象将直接决定等离子体的温度、密度以及能量输运效率。

因此，深入理解边缘等离子体的形成机制以及相关现象对于优化磁约束聚变机的设计和运行至关重要。

本文将对磁约束聚变机边缘等离子体的现象进行研究和分析。

通过揭示边缘等离子体的形成机制以及对磁约束聚变机性能的影响，可以为进一步提高磁约束聚变机的效率和稳定性提供有价值的参考。

同时，对边缘等离子体现象的认识也将为磁约束聚变机研究领域的发展提供新的思路和方向。

1.2 文章结构文章结构部分的内容可以如下所示：文章结构:本文主要分为引言、正文和结论三个部分。

在引言部分，我们将概述磁约束聚变机边缘等离子体现象的重要性，并说明文章的目的和结构。

接下来的正文部分将分为两个小节，分别介绍磁约束聚变机的基本原理和边缘等离子体的形成机制。

在磁约束聚变机的基本原理部分，我们将阐述磁约束聚变机的工作原理和主要组成部分，以便读者理解磁约束聚变机的基础知识。