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高能粒子不稳定性的实验历史

已有 7526 次阅读 2011-4-29 12:00 |个人分类:等离子体物理|系统分类:科研笔记| 历史, style

托卡马克高能粒子实验物理的研究主要是上世纪70年代后开始的。当时,随着NBI加热技术的发展,人们开始研究在不同磁位型条件下高能粒子的轨道形状问题,包括通行轨道和香蕉轨道(包括同向和反向,相对电流方向来说),以及它们之间的转换。当大功率的NBI注入等离子体后,人们发现高能离子的行为比想象得要复杂的多。随着归一化 beta的值的升高,高能粒子的约束越发困难。有很多机制会造成高能粒子的损失,包括高能粒子的轨道漂移引起的损失,磁场波纹引起的损失,电磁扰动引起的损失及共振引起的损失等。

80年代初,PDX装置上在强功率的NBI注入后,人们首次在Mirnov信号上发现了一种新的MHD现象,这种信号形象上类似鱼骨,被称之鱼骨模(Fishbone)不稳定性。后来陆续又在PBXPBX-MTFTR,DIII-D,JET,JT-60,ASDEX-U,ISX-BJFT-2等装置上发现了这种鱼骨模现象。由于各个装置的尺寸和NBI注入功率等因素有很大的不同,发现的离子鱼骨模也有很大的差异,分别被称之为classical fishbonehybrid sawtooth-fishbone(Sawbone)run-on fishbone。在一些装置上,人们发现这种不稳定性存在高和低两个分支。Classical fishbone频率存在chirping 行为,单个Burst开始与结束时的频率相差23倍的因子,而hybrid sawtooth-fishbonerun-on fishbone的频率变化很小,甚至观测不到。对于这种奇怪的MHD行为,人们尝试了从不同方面进行了解释,包括通行粒子和俘获粒子。其中,最成功的就是Chen L等考虑俘获粒子的动理学效应后的解释,后来Coppi等人又加入粒子逆磁漂移效应。PBX装置上NBI是切向注入的,在此情况下也发现这种现象,Betti等人考虑了轨道漂移,用通行粒子解释了这一现象。归根结底,这种现象是由高能粒子与模经进动共振导致的。

80年代末,TFTR装置上在强功率的NBI注入后,人们又在Mirnov信号上发现了一种新的MHD现象,被称之环效应导致的阿尔芬本征模(TAE)。在稳定的q分布条件下,这种不稳定性的频率几乎不变,大约在几十KHz的量级。后续,又在DIII-D,JET,JT-60ASDEX-Utokamak装置及一些仿星器装置上观测到了这种现象及一些类似的现象,像EAE,NAE,GAEHAE等。它们本质上都是剪切Alfven(SAW)的本征模。在不同磁位型下(环向效应,拉长比,三角形变,它们相当于半导体里的缺陷),理论研究发现在连续谱内存在很多Gap(相当于半导体里的能隙),而在Gap中存在一些Alfven本征模(像TAE, EAENAE),当高能粒子某些特征频率与Gap所处位置Alfven本征模频率相当时,高能粒子就会激发这些本征模。值得一提的是,在一些装置上90末还发现,随着q最小值的降低,会出现一种频率爬升,最后到TAE频率停止爬升的MHD现象,称之为Alfven cascades(ACs)或反剪切Alfven本征模(RSAE)。在非常强的NBI注入条件,束本身也会发生一种不稳定性现象,称之为EPM,这种不稳定性的频率具有很大chirping行为,造成的粒子损失也比Alfven本征模严重的多。在DIII-D装置上,还发现一种称之为pinch-fork的高能粒子不稳定性现象,这种不稳定性的频率会发生upsweepingdownsweeping。这是一种非线性不稳定性,Berk等人运用相空间Clump-hole动理学成功进行了解释。近年来,还发现了一些新的高能离子不稳定现象,像DIII-D上发现的E-GAMJT-60上发现的E-RWM,以及W7-AS所谓的漂移阿尔芬本征模(DAE)和漂移声波本征模(DAE)。

以上所述的高能粒子不稳定性都是由高能离子导致的,高能离子主要是来自NBI注入和离子回旋共振加热(ICRH)。我们知道退稳这些不稳定性依赖的是高能粒子的能量而不是质量,高能离子可以激发fishboneTAE等,那由电子回旋共振加热(ECRH)和低杂波注入(LHW)注入而产生的高能电子是否可以激发类似现象?答案是肯定的。

90年代末,DIII-D装置上ECRH加热后,发现了一种很类似离子鱼骨模的不稳定性现象,称之为电子鱼骨模(e-fishbone),随后在HL-1M也发现这一现象,并且在有LHW注入的情况下,这种不稳定性会增强。后来,在FTUTS只有低杂波注入的情况下也观测到这种不稳定性。由于ECRH加热的主要是电子的垂直能量,WANG K L借助Chen L的离子鱼骨模理论,用高能Barely俘获电子成功解释了DIII-D上的电子鱼骨模现象。然而,在LHW注入条件下,主要存在的是高能通行电子,因此暗示高能的通行电子也可能激发电子鱼骨模,ZoncaWang等人成功发展了电子鱼骨模理论,用高能的Barely通行电子成功解释了FTU上的电子鱼骨模现象。

近来,C-Mod装置上在等离子体电流爬升阶段注入低杂波,发现高能电子激发了TAE,称之为e-TAE。而最近HXS装置上在低磁场低密度的条件下ECRH加热,发现高能电子也能够激发全局Alfven本征模(GAE)。

阿尔芬本征模局域在连续谱构成的Gap中。它们的阻尼相对较小,不需要克服连续谱阻尼,因此能量阈值较小,很容易激发,实验上容易观测到。但是,当高能粒子能量很强的时候,高能粒子本身会克服连续谱阻尼,产生一种连续的不稳定性行为,即所谓的能量粒子模(EPM)。这种EPM,是由阿尔芬奖得主L.Chen90年代预言的,后来在NSTXMASTDIII-D等装置上得到了验证。EPM共振激发,模的频率与高能粒子的特征频率等密切相关。实验发现,EPM引起的粒子损失是非常严重,这种不稳定性对未来的燃烧等离子体影响可能是致命的。然而,EPM的非线性激发和对输运的影响,目前的认识几乎是空白,还需大量实验和理论来加以研究。

上个世纪90年代,在DIII-D装置上,强NBI注入的情况下,发现等离子体的beta效应也会导致阿尔芬波本征模的出现,被称之为BAE。实验上发现,BAE的频率接近于TAE的一半,它也会导致很大的能量和粒子损失,而且这种模的频率与阿尔芬速度密切相关。后来,在FTUTEXTOR少数几个装置上,发现在欧姆放电存在大的磁岛的情况下,会激发一种很类似BAE的不稳定性。后来F.Zonca等人在理论上证明,这种模实际上就是BAE,不同的是它是由测地声曲率和磁岛的耦合效应导致的。激发的这种BAE自由能主要来自于大磁岛。磁岛导致的BAE,一般成对出现,具有驻波结构,这一现象已在HL-2A观测到了,具体细节还有待进一步研究。

国际上,对高能粒子的研究已经开展将近30年,在理论和实验上都取得了很多优秀结果,但是对高能粒子不稳定性的研究还任重而道远,还有很多现象没有认识清楚,像高能粒子不稳定性的激发问题,包括非线性模模耦合及相空间的动理学问题等,某些甚至是一穷二白,像EPM的非线性激发及雪崩问题等。同时,高能粒子对低频MHD(如动力气球模KBM和局域内交换模LIM等)的影响也是很值得探讨的问题。随着,我国tokamak装置水平的提高和诊断技术的发展,追赶国外的脚步已经加快,并取得一些有特色的结果,如离子鱼骨模,电子鱼骨模,高能电子激发及磁岛激发的AE等等。

我们知道,在未来的燃烧等离子体中(ITERDEMO),除了热电子和热离子成分外,还存在一定份额的高能量粒子成分,它包括聚变反应产生的带电的聚变产物(如阿尔法粒子),和由中性束注入与离子回旋共振加热(ICRH)产生的高能量离子和电子回旋共振加热和低杂波加热产生的高能量电子等。阿尔法粒子是燃烧等离子体持续燃烧的自加热源,其它的高能离子除了用于加热等离子体外,通过加热和电流驱动剖面的控制,它们还在实现先进运行模式方面起重要的作用。这些高能量粒子(特别是阿尔法粒子)的输运和约束,不仅对燃烧等离子体性能(聚变增益因子)有重要的影响,而且由于它们携带大的能量,其少量的损失都会在第一壁上产生过大的热负荷,而使第一壁部件损坏。因此,理解阿尔法粒子和其它的高能离子的行为是极其重要的,特别是阿尔法粒子的良好约束是获得高聚变增益的必要条件。高能量粒子的损失机制主要有两种,一种是环向磁场的波纹度引起的单粒子轨道的‘纹波’损失,另一种是由集体(运动)不稳定性引起的反常输运。由于可以采取各种措施降低环向磁场的波纹度,一般认为快离子的纹波损失本身,对燃烧等离子体的性能不会产生严重的影响。然而,由于快粒子存在固有的自由能(高能量粒子的压强梯度和速度空间各向异性),它们的进动、进动-跳和渡越运动与剪切阿尔芬波及低频MHD模的共振相互作用,会激发起各种阿尔芬本征模(AE)和快粒子模(EPM)不稳定性,如环向阿尔芬本征模(TAE)、比压诱发的阿尔芬本征模(BAE)、阿尔芬级联模(ACs)、和鱼骨模(Fishbone)等不稳定性,这些不稳定性会使快粒子产生对流或扩散损失,从而减弱快粒子的约束。因而,高能离子诱发的不稳定性的研究是高能粒子物理研究的重要课题。各种阿尔芬本征模会加快阿尔法粒子的扩散损失,影响自持燃烧过程和反应堆的品质,这也是ITER建造的主要原因之一。

ITERDEMO等离子体中,由于阿尔法粒子具有相对较小的归一化回旋半径,高环向模数的不稳定性(阿尔芬本征模及动理气球模)更容易激发。目前的装置和将来的聚变反应器,阿尔法粒子的归一化回旋半径有很大的不同。这一差异造成结果就是,在未来的聚变反应器中,高环向模数的不稳定性将占主要地位。同时,在未来的聚变反应器中,阿尔法粒子的beta也将有很大提高(高能粒子的压力与背景等离子体的压力相当),并且热离子beta和等离子体压力也会更高。这样的结果就是阿尔法粒子更易激发阿尔芬不稳定性,阿尔芬本征模将会更不稳定,同时波-粒子共振区也可能重叠,进而导致反常的径向输运。因此,ITERDEMO等离子体高能量粒子物理研究的重点问题就是在存在多模阿尔芬不稳定性时的阿尔法粒子的输运。首要问题就是要更加准确的确定这些不稳定性的线性稳定阈值,这一步也许要花费很多年。第二步就是需要建立一个非线性的计算模型来预言燃烧等离子体中可能存在的阿尔芬模及其特征,以便在实验上能够有效的控制它们。这一步极具挑战性,需要更加准确的理论模型,更高速的计算机及有效性更高的实验数据。



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1 胡友俊

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