33 托卡马克加热NBI.docx
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33托卡马克加热NBI
5.3中性束注入（NBI，NeutralBeamInput）加热
为什么不直接利用高能离子束？
磁场可以约束离子，使之不能逃出托卡马克，同理外部高能离子束也被磁场约束，不易于进入托卡马克内部。
所以，需要在离子进入托卡马克前，将离子束中性化――中性束。
产生中性束的工作原理图（JET，正离子源）
产生中性束系统示意图、实物照片（JET）
――――――――――――――――――――――――――――
（下图：
用于JET的正离子源，采用热阴极＋磁约束）
――――――――――――――――――――――――――――
（下图：
用于ASDEX-U的正离子源的内部结构，采用RF感性耦合，图中澡盆状部件为法拉第屏蔽，铁箍状部件为射频线圈）
――――――――――――――――――――――――――――
中性束加热中的一些问题
（1）中性束原子的选用
在开始放电的初始建立阶段，等离子体温度不高，不能产生核反应，可以用H原子中性束加热。
在点火、燃烧阶段，可以采用D中性束。
（2）中性束注入位置、方向
中性束注入位置：
在托卡马克的赤道面注入，通过最长，密度最大的区域。
注入方向：
平行于环向，垂直于环向。
垂直注入
优点：
窗口设计简单；
缺点：
加热后离子的垂直磁场能量大，容易进入香蕉（俘获）轨道。
在纹波度大的环向磁场中，俘获快离子引起纹波扩散，碰撞溅射托卡马克壁，造成杂质污染。
平行注入：
缺点：
窗口设计较复杂占用空间大；
优点：
电离距离长，产生穿行离子。
注入方向可以平行、反平行托卡马克电流方向。
NB具有动量，单向平行注入会产生等离子体沿大环方向旋转，可以采用对称双向注入。
实验发现等离子体环向旋转可以触发L-H约束模式转变（有益！
），所以一般采用单向平行注入。
（3）中性束与托卡马克plasma的作用过程：
电离、高能离子慢化
中性束的电离有几个过程：
与电子、离子碰撞电离，电荷交换。
在低能区：
电荷交换占主导（A＋（高能）＋BA（高能）＋B＋），中性粒子能量转化为带电粒子能量；
在高能区：
高能中性原子与电子的碰撞电离（在高能区主要为多级电离）占主导。
当中性粒子被电离后，高能离子被约束在香蕉、通行轨道上。
如果高能离子的约束时间长，将通过与其他粒子碰撞传递能量，自身速度降低（碰撞慢化，slowdown）。
（4）托卡马克的芯部加热
中性加热要求其能量沉积在托卡马克芯部，对于大托卡马克（如ITER），要求中性束到达芯部，需要提高中性束能量相应要求提高离子源D离子能量，在ITER上，要求离子能量达到0.25-0.5Mev。
（5）增加D离子能量出现的问题
在需要高于0.1Mev的中性束（相应地，离子能量需要高于0.1Mev）时，如果仍然采用正离子中性化方法，中性化效率下降（参见下图）。
――――――――――――――――――――――――――
（上图：
离子中性化率随离子能量（Kev）的变化）
说明1：
正离子源中有多种离子成分，原子离子、分子离子
说明2：
正离子的中性化率不是100%，而且中性化率不随中性化室长度增加而单调提高，有最佳长度，和最大中性化率。
―――――――――――――――――――――――――――――
解决方法：
采用负离子＋中性化方法。
负离子的产生方法/途径（两种，结合下面两图说明）：
【负离子有两种产生方式】：
（1）在体相产生负离子：
在相对高的高能电子作用下，产生高振动能态的分子，高振动能态的分子在分解时俘获低能电子（dissociativeattachment）。
该方式的产生效率高。
体相产生负离子的要求：
需要磁场隔离or磁过滤（magneticfilter）高能电子、低能电子区（参考上图中结构，下图中的结果。
）
（上图：
负离子源中电子温度的轴向分布）
（2）在表面产生负离子：
原子从涂敷铯壁上碰撞弹开时，产生负离子。
为了获得高速率负离子产率，需要提高原子密度、能量，负离子的原始能量较高。
负离子源的重点问题：
――负离子的高效率产生；
――负离子的加速（电子需要控制，采用横向磁场阻挡电子，仅引出负离子）。
负离子中性化方法：
不同于正离子电荷交换方法；
具体方法为：
负离子和热分子气体作用，将负离子的电子剥离，剥离效率高达60%。
采用高电离率的plasma替代热分子气体，效率可以进一步提高到80%。
（6）ITER上的基于负离子源的中性束指标
D0，1MeV，acurrentof40A，50MW，threeunits.
（日本JT-60U的负离子源最好，拿到N-NBI的发包）。
2003已实现指标：
功率－－5.8MW，中性束能量――0.4Mev，时间――10s
计划指标：
功率－－10MW，中性束能量――0.5Mev，时间――10s
（日本研究人员正在装配负离子源）
（7）正、负离子源的中性束加热技术比较
正离子比负离子容易产生，低能NBI均使用基于正离子源的NBI
负离子不容易产生，电子容易失去，但中性化效率高。
正离子源中，加负偏压引出后，负离子被阻止，但正离子中有各种成分，如分子离子D2+，D3+，加速后得到的能量均相同E0，经过中性化，进入等离子体分解、电离后，每个原子得到的能量为E0/2,E0/3,这些能量低，沉积在托卡马克等离子体的边缘区，P－NBI功率沉积区域宽。
负离子源成分单一，对应NBI的功率沉积区域窄。
N-NBI技术相对复杂，效率低，成本高
产生区：
高能电子、低能电子需要隔离；
引出区：
负离子、电子需要控制，采用横向磁场阻挡电子，仅引出负离子。
（8）中性束加热技术优点
加热效率高；
对NBI加热对等离子体的变化不敏感，不受托卡马克等离子体形状、分布。
（波加热对等离子体变化敏感，原因：
存在阻抗匹配问题）；
不受加热过程中伴随现象的影响，边缘局部模、锯齿波、不同运行模式过渡等变化的影响。
（9）国内（等离子体所）的中性束加热发展简介
1978年（建所前）即开始研究，建所后设立了专门的研究室（四室）；
研发的离子源（潘宁源）直径：
7,10,15cm；
在HT-6M上进行过中性束（100KW）加热实验，有明显的离子加热效果；
1988年，建立直径为15cm的离子源，要求几十万升抽速低温泵，当时液氮、液氦价格高，经费支持不够，该方向的研究计划暂停，撤销第四研究室，有关人员开辟新的研究方向（低能离子与生物作用）。
2002年起，国家对聚变研究加大投入，等离子体所重新开始中性束注入研究。
近年进展：
---EAST装置辅助加热系统”是国家“十二五”大科学工程，2010年7月正式立项。
---2012年1月14日EAST中性束注入系统（NBI）测试台首次成功调试。
---指标：
束能量50千伏，束流22安培，束脉宽106毫秒的引出束流，离子束功率达到1．1兆瓦。
----最终目标――2至4兆瓦中性束注入系统的研制提供强有力的可靠支持。
EAST对NBI要求：
源的数量：
两个
中性束能量：
40-90Kev（仍然使用正离子源）；
注入功率：
3-4MW；
引出粒子：
H，D，He束。
脉冲宽度：
100-1000S
5.4
粒子加热（简单介绍）
在有D、T聚变反应[D+T→4He（3.52MeV）+n（14.06MeV）]的托卡马克装置中，带电离子中有高能的
粒子。
粒子的能量远高于本底的氘氚离子的能量，其密度则要低很多。
离子与其它粒子碰撞，将能量传递给D、T离子、电子。
当聚变反应速率足够高时，由聚变产生
粒子可以维持氘氚等离子体处于高温状态，使聚变反应持续进行。
这个过程称为
粒子的自加热，也是建堆发电的物理基础。
――――――――――――（加热部分结束）―――――――――――――――――
6.托卡马克非感性电流驱动
6.1为什么需要等离子体电流（前面已讲述）
若没有等离子体电流，仅存在外部纵向磁场时，磁场由为同心圆的磁力线组成，在该种磁场中，带电粒子受两种向外的力：
（1）离心力――运动的带电粒子沿磁力线运动，受向外的离心力。
（2）磁梯度力――环内侧的磁场强度大于外部，带电粒子受向外的磁驱动力。
在上述两种力的作用下，不同电荷产生不同方向的漂移，即电荷分离，由此形成空间电场。
该空间电场与磁场的EXB漂移又驱动等离子体整体向外运动。
结论：
简单圆环磁场不能有效地约束带电粒子。
（简单圆环磁场中不同带电粒子的漂移运动）
克服电漂移的方法：
使磁力线旋转，同一根磁力线既经过环的上面，又经过环的下面，从而抵消电荷积累。
磁场旋转方法――在托克马克中产生沿环向的电流
由此产生小环向磁场――托卡马克磁位形。
在螺旋场中，相对于磁轴而言，带电粒子的位置不断变化，其对应的漂移方向也改变（在大环内侧，漂移运动指向磁轴，在大环外侧，漂移运动偏离磁轴），平均而言，带电粒子在磁轴附近运动，形成良好的约束。
6.2为什么需要非感性电流驱动
环向电流可以由变压器产生（感性电流驱动），但由变压器提供的磁通变化总是有限，对应等离子体电流维持时间有限，这决定纯粹的变压器托卡马克只能进行秒级脉冲运行。
聚变反应堆电站要求能够长时间稳定地提供功率输出，所以，托卡马克必须通过其他非感应的电流驱动方式来获得更长的运行时间。
20世纪70年代有人提出了非感性电流驱动（不借助变压器产生驱动电流的涡旋电场）环向电流的设想，并在托卡马克实验中得到证实。
6.3托卡马克运行对非感性电流驱动的基本要求
可以在高密度托卡马克等离子体中驱动电流
原因：
在托卡马克运行趋于能量平衡、自持运行、建堆发电的过程中，需要增加等离子体密度。
电流驱动的效率高
原因：
由此可以相应降低所需驱动源功率。
局域电流驱动
原因：
控制电流分布，得到好的磁场位形
6.4非感性电流驱动主要方法、基本原理问题及其问题
（1）
NB电流驱动
（a）电流驱动方法
NB垂直注入等离子体，只起加热作用，产生的快离子大部分被俘获在香蕉轨道上；
NB切向注入（大环方向），不仅可以加热等离子体，而且beam还可以在注入方向产生快离子（以电荷交换方式），形成环向电流；
问题：
电子与beam快离子、plasma离子的碰撞后，在注入方向上产生定向电子流，电子流与快离子流同向，降低了NB驱动电流。
（b）NBI驱动电流与电子温度的关系
（c）NBI驱动电流的优点
电流驱动效率随电子温度提高而非线性增加（与变压器驱动电流特性相反，适用建堆发电时的运行）；
与等离子体的耦合技术简单，对物理过程有相对充分的了解；
（2）电子回旋电流驱动（ElectroncyclotronCurrentDrive，ECCD）
电磁波驱动电流的一般原理
有直接驱动、间接驱动两种；
直接驱动：
电磁波在托卡马克环向（纵向）上直接与电子作用，加速电子形成定向电流；
间接驱动：
在垂直（相对于纵向磁场而言）方向上，电磁波与电子产生回旋共振作用，电子垂直磁场的能量增加，由此间接产生环向电流（具体驱动机理如下）
电子回旋电流驱动原理（属间接驱动）
电子回旋电流驱动效率
（a）如上面所述：
如果电子在合适的方向（低场注入时，电子顺着波传播方向运动）的电子数目多，ECCD效率高。
具体实施方法：
先通过低杂波驱动电流（电子流），在加上ECW电流驱动。
该效应称为协同（synergyeffect）。
同样，ECCD也可以作为辅助电流驱动方式，协助其他电流驱动。
（b）电流驱动效率随电子温度提高而增加（电子温度提高，碰撞频率降低，由电磁波获得的定向电子流容易保持）；
但随电子密度增加而降低（碰撞频率随电子密度增加而提高）；
（c）在偏轴位置（off-axis），电流驱动效率低，原因：
该区的俘获电子多（在香蕉区内往返运动），不能形成环向电流。
电子回旋电流驱动的优点
由于采用回旋共振方式，可以在局部空间驱动电流，控制等离子体电流径向分布，抑制特定磁面上的MHD不稳定性（如：
在q＝2的磁面上驱动电流，可以抑制m＝2的撕裂模――tearingmode）
（3）RF波电流驱动
RF波电流驱动与波入射方向
射频波入射方向决定了它是否只有加热作用，还是兼有加热、驱动电流作用。
垂直磁力线入射的只起加热作用；
波在平行磁力线方向有电场分量，会驱动电流。
RF波电流驱动的方法
主要方法有：
射频离子回旋电流驱动（RFIonCyclotronCurrentDrive，RFICCD）；
快波电流驱动（FastWaveCurrentDrive，FWCD）。
RF快波电流驱动原理
在RF加热中，根据传播方向的不同，磁化等离子体中的波分为快、慢分支，采用RF快波进行加热。
在非感性电流驱动技术中，也可以采用FW驱动电流，其原理为：
快波斜入射进入托卡马克，波的平行（大环方向，平行于纵场）相速度与电子沿大环方向的热速度相近
时，快波可以通过两种方式加速电子：
电子受到环向朗道加热（电子与环向快波电场作用）和瞬态磁泵浦（transittimemagneticpumping，TTMP，电子与环向快波磁场作用）加速。
―――――――――――――――――――――――――――――
附：
TTMP概念解释
快波在环向纵场方向上有波动磁场，由于波的磁场在纵向上不均匀，电子可以受到磁梯度驱动力，当电子平行热速度与波的平行相速度相同时，电子可以持续受到磁梯度推力。
当相速度满足如下图所示的关系时，电子受到TTMP加速（与电场的朗道加速条件类似）
说明：
FW斜入射进入托卡马克等离子体时，平行纵场方向上有电场、磁场。
―――――――――――――――――――――――――――
为了使沿一个方向上运动的电子受到优先加热，FW天线电流需要非对称调相控制（参考下图），使某一方向上的波传输功率更高，在此方向上驱动电子电流。
射频离子回旋电流驱动（RFIonCyclotronCurrentDrive，RFICCD）原理
在射频离子回旋电流驱动中，波斜入射进入等离子体，波与离子产生回旋共振作用。
由前面的讨论知，单一离子不能由基频离子回旋共振加热，需要在托卡马克中引入两种离子，少数离子被基频回旋共振加热。
与加热同理，射频离子回旋电流驱动也需要采用少数离子，并且由ω-ωci=k||v||知，少数离子在某一方向被优先加热，从而产生电流（产生离子后，RFIC驱动电流的过程与前面电子回旋电流驱动类似）。
说明：
在将来聚变电站燃烧等离子体，D、T密度相当，少数离子电流驱动技术不适用。
（4）低杂波（LowHybridWave，LHW）电流驱动
低杂波概念
低杂波是X波（非寻常波）的低频段
在垂直磁场传播时，X波的色散关系如下图所示。
在
时，低混杂频率为：
在下面不同的条件下，低混杂频率又可化简为常用的近似公式：
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
附：
在典型的托卡马克参数条件下，不同模式的频率范围：
电子回旋频率~几十、上百GHZ；
离子回旋频率~十几MHz；
低杂波频率~几个GHz，可以使用2.45GHz（同低温ECRPlasma）。
一般地：
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
低杂波的快波•慢波/传播•截止（在不同频段的X波，都有快慢波，）
在垂直入射时（k//=0,λ//→∞,n//=k//c/ω=0）:
慢波消失，只存在快波,并且快波在低杂波共振层被吸收（在该区域，主要加热离子），即使低杂共振层不存在，在快波向托卡马克内部传播的过程中，其垂直相速度随密度增加而降低，当快波相速度为离子热速度的几倍，快波可以加热离子。
在斜入射时（n//增加，慢波可以传播）:
当n//（即大环方向）满足临界条件时
同时天线附近的电子密度大于临界截止电子密度时，可以耦合激发所需要的慢波。
在满足上面的低杂波传播条件下，希望控制波的平行折射率n//，使低杂波的平行相速度与电子平行热速度满足：
V//p≈severalV//e（电子加热条件）
此时，低杂波有效地加速超热电子，获得更大效率的电子电流驱动。
为了满足同时满足低杂波传播条件和加速超热电子条件，要求低杂波发射系统具有波长调节（参见不同装置中平行波长）能力，采用开端波导阵列（grill）控制实现（如下图所示）结构。
（不同托卡马克中的低杂波系统，注意N//的范围）
（JET低杂波天线）
（不同发射单元之间存在相位差，由移相器（phaseshifter）实现）
（已装入JET上的加热、电流驱动系统，左边为低杂波天线，右边为RF天线，表面金属条为法拉第屏蔽）
在低杂波由天线向低杂共振层的传播过程中，射线追踪计算结果表明，波顺着磁面沿螺旋曲线向内传播，在该过程中，电子通过Landau阻尼得到加热。
控制发射波的发射能谱，使其在平行磁场方向的功率谱不对称，即可得到某一方向的电子电流。
由于低杂波总是螺旋进入等离子体，电子加速、电流驱动总是发生在托卡马克等离子体边缘区，即off－axiscurrentdrive。
在实验中，人为控制入射低混杂波的平行波长,可以调整波在等离子体内部的沉积位置，改变等离子体电流径向分布。
提高低杂波电流驱动效率的方法
（1）调节n//，使低杂波与碰撞弱的超热电子作用；
（2）提高电子温度（non-inductivedrive的共性问题）
（3）提高天线附近的等离子体密度（matchededgedensity），降低波的反射率
在偏滤器位形下，等离子体和低杂波天线之间的距离较大，天线前的电子密度有可能低于低杂波的截止电子密度，因此为了实现很好的耦合，需要补充充气。
（低杂波电流驱动时，采用充气方法－gaspuff，提高天线附近的等离子体密度）
[有gaspuff（红色圆点），无gaspuff（蓝色三角）时，低杂波反射率随天线－等离子体（plasma－wall）距离的变化]
（5）各种加热、电流驱动方法的小结表（主要为电磁波）
WaveType
Frequency
MainApplication
AlternativeApplication
RFSource
Transmission
Sideeffects
Electroncyclotron
（ω~n·ωce）
28-170GHz
HeatofElectrons
Currentdrive;
Suppressionofinstabilities
Gyrotron
P1MW
Oversize（a>>λ）waveguides;
Mirrors
Non-thermalelectrons
LowHybrid
（ωci<ω<ωce）
2-5GHz
Currentdrive
（不用于加热）
q-profilecontrol
MagnetronorKlystron
P1MW
Rectangularwaveguides
Absorptionatplasmaperiphery
IonCyclotron
（ω~n·ωci）
20–120MHz
HeatofIons
andElectrons
Grid-Tube（triodeortetrode）
P2MW
Co-axiallines
Impurity
Alfvén
（ω<ωci）
（没讲授）
2-6MHz
HeatofIons
andElectrons
Grid-Tube（triodeortetrode）
P1MW
Co-axiallines
Bigantenna
最有效加热的是离子回旋共振、NBI方法：
可将离子加热到聚变堆所要求的温度（20keV）；如：
JT-60U中用NBI和ICRH方法得到44keV的氘离子温度；
电子回旋加热（ECRH）可以在局部将电子加热到很高温度，一般用于辅助加热手段；
低杂波常用于电流驱动（LHCD）；
RF快波电流驱动没有LHCD、ECCD的波截止问题，可以深入等离子体内部。
NBI可以产生等离子体旋转（直接的能量传递）；
在各种波中，仅ICRH能产生等离子体旋转，但对应的原理没有完全理解。
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
（6）多种加热和电流驱动下的协同效应
实验中通常是多种加热、电流驱动手段的组合，得到比单一加热、电流驱动好的效果。
LHCD与ICRH和ECRH的协同
ICRH和ECRH可以改善低杂波的耦合，提高电流驱动效率。
下面为实验例子：
NBI＋RF（快波、回旋共振）
――――等等其它协同作用
（7）等离子体自举电流（bootstrapcurrent）
自举电流的产生原理（简单的推导、说明方法，坐标参看下图，物理图像在后）
在托卡马克平衡方程
中，分出俘获粒子部分；
俘获粒子在反射点之间来回反射，对多个俘获粒子而言，俘获粒子
的极向电流
为零
可以得到环向电流：
（俘获粒子的不均匀分布产生环向电流）
俘获粒子占全部粒子的比例为：
更为严格的推导结果为：
自举电流的物理图像
由上式，环向电流的产生与等离子体梯度有关。
在物理上，梯度大小与等离子体（电子）输运有关。
当俘获电子向外扩散时，俘获电子获得环向动量（bootstrap），通过与穿行电子碰撞俘获电子将环向动量传递给穿行电子，或者是电子向外输运引起环向摩擦力，从而形成环向电流。
在有外加料（小球注入，pelletinput，如右图所示）的条件下，等离子体扩散可以持续不断，对应形成稳定的自举环向电流，降低了聚变堆的稳态运行对外部电流驱动的要求。
影响自举电流的参数
由表达式分析：
等离子体密度、温度高（高
托卡马克），即有辅助加热的高
托卡马克装置中，Pe大，自举电流高；
与俘获电子分布有关――托卡马克中心区（小r区），自举电流小；
托卡马克外部（大r区），自举电流大；
自举电流与等离子体压力梯度（密度梯度、温度梯度）有关，是新经典输运理论的重要结论。
―――――――――――――――――――――――――――――――
附：
●经典输运：
将托卡马克简化为圆柱形，非均匀磁场；
●新经典输运：
环形，非均匀环向场，得到的碰撞输运系数高于经典输运系数，称为新经典输运；
同经典输运模型相比，新经典输运模型更接近实际位形；
但输运系数均低于测量值，原因：
没有计入湍流影响；
●经典输运系数：
，
，
电子、离子产生90°偏转的碰撞频率，
●新经典输运的预测结果：
俘获区，新经典输运系数是经典输运系数的
倍（低频，香蕉俘获区）
，
●新经典输运的重要理论预言（1970年）：
在没有外加驱动源的情况下，托
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