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高约束模式(H-mode)物理图像(非主流观点)之:边界条件

已有 8419 次阅读 2012-5-27 14:43 |个人分类:学海无涯|系统分类:科研笔记| East, 聚变能源, 等离子体物理, 边界条件, H模

【明天是585的H模项目中期检查;后天是等离子体所的偏滤器项目中期检查;正好坐下来仔细思考一下,写一写笔者考虑了许久的偏滤器如何 inducing H模的想法。】

 

EAST在没有NBIECRH的条件下,只靠ICRHLHCD(加上一些欧姆加热)实现了29.5秒(昨天-28日-的新结果是35秒)高约束模式放电——创下一个新的世界纪录。

 

一般地,ICRF的频率很低,所以很难耦合到等离子体芯部;LHW加热效率很低,一般只用来做电流驱动。所以要得到H模,或者要有NBI,或者要有ECRHEAST靠什么?——等离子体所的回答是:壁处理!即对壁的“锂化”处理(在壁上附着一层锂粉)。

 

那么主流的关于H模物理机制的观点是什么呢?我们抄一段“Fusion Wiki”:

 

 

When a magnetically confined plasma is heated strongly and a threshold heating power level is exceeded, it may spontaneously transition from a low confinement (or L-mode) state to a high confinement (or H-mode) state. In the H-mode, the energy confinement time is significantly enhanced, i.e., typically by a factor of 2 or more. H-mode profiles have a characteristic edge pedestal.

 

This transport bifurcation is due to the suppression of turbulence in the edge plasma. There is substantial evidence that the suppression of turbulence is the consequence of the formation of a sheared flow layer and an associated edge radial electric field. The local suppression of turbulence leads to a reduction of transport and a steepening of the edge profiles.

 

 

可见H模有两个特征——时间特征:能量约束时间doubled;空间特征:等离子体的空间分布(profile)在边缘区变陡(steepening),形成温度、密度的“台基”(pedestal)。下图是取自Fusion Wiki的一个典型的温度分布图。

 

 

 

这里提到了边缘(edge)。但是请注意,磁约束等离子体的“边缘”一般是指等离子体(实际指密度、温度比较高的等离子体)的“边界”里面的一个薄层。而在“边缘”和“壁”(物理问题的真正边界)之间还有一个“真空区”(实际是等离子体密度温度非常低的区域)。

 

所以仔细看上面的“主流”观点,可以得出:H模以及“台基”的形成是因为加热导致“边缘”层里剪切流(associated with径向电场)的形成,导致边缘湍流被抑制,再进一步导致输运水平的降低和台基的形成。

 

看起来与隔着一个真空区(实际有很稀薄的等离子体,我们一般称为刮削层或者刮离层——scrape-off layer, 简称SOL)的“壁”没有什么关系。

 

一定是哪里出了问题!

 

EAST在“非常规”条件下得到的H模,促使我们思考:我们过去对H模的认识是不是出了偏差。

 

我们知道,物理问题都可以用关于时空的偏微分方程(数学物理方程)描述。而偏微分方程理论告诉我们,对于一组偏微分方程,可以有任意多组解,所以其确定的解是初始条件和边界条件决定的——叫做定解条件。哲学上说,偏微分方程所描述的物理过程是内因,初始条件和边界条件是外因。对稳态过程,定解条件就是边界条件决定的。明确地说,就是由真空室面向等离子体的第一壁和偏滤器的靶板(这个很重要,后面会详细说)的壁条件决定。

 

所以必须想想,到底壁条件在这里起了什么决定性的、主流H模理论模型没有考虑的关键作用!



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