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关于磁约束聚变理论模拟研究的几点浅见

已有 12224 次阅读 2014-1-21 13:36 |个人分类:学海无涯|系统分类:科研笔记| 理论, ITER, 磁约束聚变

关于磁约束聚变理论模拟研究的几点浅见

(王晓钢,2014年1月)

 

国务院转发的2012-2030年的国家重大科技发展计划把能源方向列在第一项;能源方向里把核能源放在首位。而核能源方面,第一段就是:

 

完善提升全超导托卡马克核聚变实验装置的性能,积极参与国际热核聚变实验堆计划,保持我国在磁约束核聚变研究领域的先进地位;建设长寿命高放核废料嬗变安全处置实验装置,攻克核裂变能安全洁净发展的技术瓶颈;适时启动高效安全聚变堆研究设施建设,加快聚变能走向实际应用进程

 

另外,根据全国人大常委会决议发的科技部关于参加ITER计划的文件规定了四项任务:ITER采购包、消化吸收、国内配套和ITER实验、未来聚变堆。

 

磁约束聚变理论模拟研究工作应围绕上述国家重大需求,短期(2014-2020)结合国内聚变研究和ITER实验计划培养人才、凝聚队伍,并开始参与聚变工程堆的物理设计;中期(2021-2025)以ITER实验研究和与聚变工程堆物理的理论模拟研究为中心;长期(2025-2030)则全面转入聚变工程堆物理的理论模拟研究。

 

根据以上考虑,笔者觉得研究重点应放在:

 

1.稳态运行方案

先进的稳态运行方案(advanced steady state scenarios)的实施是ITER主要目标之一,也是聚变(工程)堆物理的关键物理问题之一。稳态运行的中心问题是将“输入”等离子体的能量(包括辅助加热、电流驱动、特别是聚变产生的alpha粒子能量)稳态地输出(到偏滤器靶板和第一壁)。所以其关键物理问题是避免脉冲式的行为。

最严重的脉冲式行为是大破裂(major disruptions)——不仅会中断托卡马克运行,而且可能对第一壁造成严重损害;其次是锯齿不稳定性(sawtooth);还有就是边缘局域模(ELM)。


1.1 破裂:

破裂相关的不稳定性都是m/n>1的低模数MHD不稳定性,包括:m/n=2的外扭曲模的非线性发展,m/n=2/1、m/n=3/1、及m/n=3/2的新经典撕裂模(NTM)的非线性发展(与误差场锁模有关)及磁岛重叠;理论研究的关键问题是预测、防止和mitigation。相关的物理问题还有runaway electrons;outstanding issue还有密度极限的物理机制;等。

导致破裂的另一个重要原因是芯部高Z(金属)杂质的堆积导致约束破坏。这是聚变研究初期破裂现象发生的主要原因,后来是通过壁清洗来避免的。但是稳态运行以后高Z杂质的产生和输运不可避免。特别是ITER现在计划用钨做偏滤器靶板(未来甚至可能采用全钨第一壁),杂质输运成为一个关键问题。JET刚刚做完的一轮物理实验(2013 APS Invited Talk),用ITER-like第一壁(钨偏滤器+铍第一壁其余部分),发现40%以上的破裂都是高Z杂质引起的。这不仅是芯部等离子体物理问题,而且与等离子体-壁相互作用(PWI)直接相关。

破裂的理论模拟研究过去主要集中在诱发破裂的物理机制研究(external kink & beta limit, NTM等),近年来才注意thermal crunch、current crunch、VDE(vertical displacement event)过程的物理特征研究。而主要的趋势是如何避免或者至少做到有效地mitigating破裂过程。目前主流聚变实验研究尝试的是通过控制电流、压强剖面,将中心q值(q0)抬升到q0>3, 直接消除低模数MHD不稳定性的威胁。

国内破裂理论模拟研究过去几乎没有人做。零星有一些相关的NTM和误差场锁模(Error field Lock mode)研究。短期来讲,要通过NTM项目和人才项目加强这方面的理论模拟研究;但更重要是要研究在新的运行方案下(q0较高,中心q剖面平坦,相当于ITER的三个advanced scenarios中的hybrid scenario)MHD不稳定性问题——平坦的q剖面避免了电流驱动的kink和tearing,但是可能引起较大的压强驱动不稳定性,如infernal modes;而且使得边缘的q剖面变陡,可能引起较强的ELM等。


1.2 锯齿不稳定性

锯齿模(sawtooth mode)是m/n=1的MHD不稳定性。但sawtooth可以排除芯部的杂质,有助于防止破裂。特别是JET的ITER-like第一壁实验结果更证实排除芯部等离子体高Z杂质的重要性。所以若完全避免了锯齿(比如使得q0>1),如何破坏芯部杂质约束?这是一个关键物理问题。比如上面说的hybrid scenario就没有锯齿,另一种advanced scenario(反剪切位形运行)也可以没有锯齿。但是没有锯齿的情况下如何排除芯部杂质?这个问题国外也没有很好研究。


1.3 边缘局域模

ELM是在高q的边缘区发生的较高模数的MHD不稳定性。大的ELM会对偏滤器靶板材料耐热、耐溅射造成挑战;但ELM又可能会对排灰、排杂质有好处。

国内边缘局域模的理论模拟研究需要在结合ITER/CFETR运行模式方面进一步加强。

笔者个人的想法:

稳态运行方案的“战略”(strategy)是否应该是:避免破裂;并结合alpha粒子、氦灰、及杂质的输运研究,以降低高Z杂质聚芯为目的,找出提高sawtooth和/或ELM的发生频率、但是降低其幅度(而不是完全避免)的适当方案。

最主要的方法是寻找合适的电流分布、压强分布剖面:

1)提高中心q值;

2)尽量使得qmin附近的q剖面平坦(以消除电流驱动自由能)——这种“混合”方案因为弱磁剪切可能会导致infernal mode(压强驱动MHD不稳定性),该种模式的存在的disadvantages(比如杂质可能排不出去、infernal modes等)和可能的advantages(如都可以避免破坏性最大的电流驱动不稳定性等)需要加以研究。

3)边缘的台基也有同样的问题:如果太高,会引起大的ELM、太低则可能达不到芯部的高温、高密度约束;完全ELM-free则有可能不利于排灰。什么样的高度合适?

所以理论模拟研究需要打破过去孤立、分散研究不同modes(特别是一味强调如何稳定这些modes),及分成平衡与稳定性、湍流与输运等不同领域的模式,以稳态运行为中心,全面研究这些modes和物理过程发生对于整体约束和稳态运行的总的效果。特别是考虑稳态运行条件下输出功率要等于输入功率的特性,注意利用各种模式来排放等离子体中的自由能。(过去主要注意的是能量的“约束”而不是“排放”。)

这是一个非线性、多模式、多尺度的问题,需要更多、更好的数值模拟工具。

 

2.燃烧等离子体物理

燃烧等离子体物理是ITER物理研究、聚变工程堆物理设计的核心。

笔者个人浅见:燃烧等离子体物理的核心问题应该是alpha粒子物理:alpha粒子的约束、慢化/热化;alpha粒子激发的Energetic Particle Mode(EPM);alpha粒子加热(提高Q值的根本途径);慢化/热化后氦灰的输运和排除。


2.1 alpha粒子的产生、约束、慢化/热化过程

因为alpha粒子的质量(4)与氘(2)、氚离子(3)都不同,且其在速度空间的初始分布是球壳状的,所以MHD理论完全不使用于燃烧等离子体物理研究。可以用多流体理论,但主要还是kinetic theory。而且alpha粒子能量高,所以约束、慢化/热化过程的研究都很有挑战性。


2.2 燃烧等离子体中的EPM

燃烧等离子体物理中alpha粒子的EPM有自己的特点:

1)能量高出一个数量级(从几百keV到3.5MeV),所以相关的共振频率会比较高;

2)alpha粒子产生时的运动方向各向同性,而不是像NBI产生的快粒子主要沿着环向运动,所以共振粒子可能较少,但可能的共振模式则较多(甚至可能形成一种几十个本征模的“Alfven湍流”);

3)alpha粒子产生直接伴随着能量较高的氘氚离子的减少,会诱发新的速度空间模式;等等。所以我们尽早开展alpha粒子模研究是必要的。


2.3 氦灰的输运和排除

这个问题是燃烧等离子体物理的关键问题之一,直接关系到稳态运行和氚自持。

稳态运行方面:氦离子密度(包括alpha粒子和氦灰)增加到一定程度(一般认为是10%左右),等离子体就“憋死了”——不再“燃烧”。所以要尽量降低对氦灰的约束。而要维持氚自持,又需要尽量提高对氚离子的约束。但是氦灰的质量是4,电荷是2,与氘离子的质荷比一样,与氚离子(质量3,电荷1)接近。且就回旋半径(正比于sqr(m)/q来说,氦灰是最小的!降低氦灰约束、提高燃料(氘氚)约束这两个要求是相互矛盾的。如何找到合适的约束条件是燃烧等离子体的一个关键物理问题。这是燃烧等离子体物理中的输运和约束研究的难点。需要尽早部署研究力量。

 

3.聚变材料(包括PWI—Plasma Wall Interaction)

这不是等离子体物理问题。但是第一,是聚变物理理论研究的一个方面;第二,与燃烧等离子体物理相关(比如破裂)。

两个关键问题:第一壁中子辐照;偏滤器靶板热负荷与溅射。

中子辐照问题不谈,从等离子体物理的角度来说,有两大关键物理问题:


3.1 偏滤器物理:

包括PWI、杂质输运(SOL,边缘,芯部),各种降低热负荷的偏滤器运行模式及其对芯部等离子体的影响,不同的偏滤器位形设计等;


3.2 中子辐照后的材料热负荷和溅射问题

中子辐照损伤是年(甚至10年)的时间尺度问题,不是ITER (neither CFETR)的关键问题。但是中子辐照后,对材料热负荷和溅射性质的影响,却是秒的时间尺度的问题(杂质产生、输运,及可能引起的芯部约束水平降低、甚至破裂问题)。

 

还有一个关键问题是氚自持。这个问题笔者只是初步有些体会,以后再说。


暂时考虑到这么多。供参考。




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