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q_min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。