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磁约束、能量的反常输运、多尺度物理问题的挑战 精选

已有 3938 次阅读 2017-9-29 22:37 |个人分类:学海无涯|系统分类:科研笔记|关键词:输运、湍流、磁约束、多尺度物理

国际热核聚变实验反应堆(ITER)计划的主要目标是建设一个大型的磁约束装置(托卡马克),研究稳态运行和(氘氚聚变)燃烧等离子体物理过程。

能量约束时间是托卡马克等离子体的一个关键参数。

《淮南子· 天文训》中有这样一段话:“积阳之热气久者生火,火气之精者为日。”所谓“积”就是要很多——数密度要高;所谓“阳之热气”就是温度要高;而“久者”,就是能量约束时间要长!这三要素都具备了,才能“生火”——点火条件。“点”什么“火”呢?——“火气之精者为日”,烈日之火,当然就是核聚变!

(所以《淮南子· 天文训》中这一段话其实是聚变点火条件——密度、温度、能量约束时间三乘积的定性描述。)

磁约束的主要作用之一就是在垂直磁力线的方向上减弱输运过程,把粒子和粒子能量约束住。因为输运系数与输运方向上的特征尺度成正比,理论上可以预期,垂直磁力线的输运系数与带电粒子的回旋半径的平方成正比、也就是说与磁场强度的平方成反比!这种性质的输运过程被称为经典输运。如果磁约束装置的实际输运过程遵从这种标度关系,磁约束应该一种非常有效的聚变途径。

可惜自然界没有分发给我们“免费午餐”(Free Lunch):实际看到的托卡马克等离子体输运过程中,输运系数是与磁场强度成反比!这被称为“Bohm输运”,也称“反常输运”(Anomalous Transport)。这种“反常输运”显然大大削弱了磁约束的效应。这也是磁约束聚变能源研究的目标迟迟不能实现主要原因之一。

这种反常输运的物理机制被认为是等离子体湍流引起的,也被称为“Turbulent Transport”(一般译作“湍性输运”或“湍流输运”)。上世纪80、90年代人们做了大量的理论、实验、和数值模拟研究,发现沿着托卡马克装置径向的湍流涡旋(TurbulenceEddy)的特征尺度远远大于回旋半径,达到宏观的流体尺度,沿着径向伸展成一条一条的“流状飘”(streamer)。这是湍性输运具有Bohm性质(与磁场强度本身、而不是磁场强度的平方成反比)的机制。

1990年代末到世纪初的约束与输运研究主要集中于对湍流涡旋streamer的演化与抑制研究。其中最重要的进展是发现“带状流”(Zonal Flows)对湍性输运的抑制作用( TurbulentTransport Reduction by Zonal Flows: Massively Parallel Simulations, Z.Lin et al, Science 281, 1835 (1998))。ZonalFlow是湍流演化过程中形成的一种低频、零模数(沿着大环和小环方向的“量子数”都是零)自组织结构,因为这种结构沿着磁力线绕成的磁面发展、在径向呈小尺度变化,对streamer形成周期性“调制”,截短了streamer沿着径向的尺度。从而减小了径向输运系数,改善了托卡马克约束。(下图:左为没有zonal flow形成时的steamer结构。中间和右边是存在zonal flow调制时streamer结构被“截短”。)


引自:林志宏等, Science, 1998

这几天,磁约束聚变专项聚变等离子体输运问题研究项目在武汉开年会,会议主题是输运过程的多尺度问题。

小尺度的微观湍流研究近20年来取得很大进展。进一步的实验研究揭示微观小尺度的湍流与宏观大尺度的磁流体(MHD)模数之间的耦合对约束与输运过程也至关重要。

过去,人们对这样的多尺度问题,主要利用特征尺度近似的方法,建立基于不同特征尺度的近似模型,在不同尺度范围内求解该尺度下的主要物理问题。但是,对于跨尺度的问题,这种近似很难求解。如果不采取任何近似处理,解析分析会变得非常复杂,数值计算时间更会非常长(因为要分辨短时间尺度、小空间尺度的变化,DxDt都会缩小一个到好几个数量级)。这对磁约束聚变等离子体物理研究无疑是一个非常严峻的挑战。近五年来,国内和国家的等离子体物理学家们正在用不同的方法应对这一挑战。




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