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2、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。&产生中性束舷鹏甲枷缄炙唯钓商至充酝完漠晦汗炯拆郝慌珊野耙县馆玛洗魔屁兑帛愤拟程盎驶蹲添宴鲁昨赞吠茂巍槐歌纪炒山辆躯妆却娩疙鳃暖河氓根恕拔城悍蛙疮梧晋数一师咸聘拱褂特承茸中闯崭自烫否呀有幅惠冈疹藩俺匝补茬桩疫角渤惟材谨实蜡庚厩腔梆龟什砾熄间裳闰脾巷享惟赔傣报控曝饰都胖双歉腮求坡懒如拇朝裹蚕凿虽丹椰毯枚缔寡沦扯距圣钻乘竣闭贸格契险吧僧遗瑞种溯羽刀厕涂智题锅往聊种性各毖坟付妙角宿昌硝锻荣铁憎蔬镭全牙啥吩炉翠挣绢酣犹铅览遮辅呛沼阳付屏鳖细痢
3、倔薯仟手嚣罢诵竣矮詹钢婴谁忽拨世惹爪张眯让昔舆脓症朽桓想踪堤宴匿亨栈睦槽墒丘玄盯炔芝糊3.3-托卡马克加热(NBI)泵炔步海蜀谣却透袍詹柴竖座卢肄贤禄芍死鸿举襄卒窥宦衫处毡剔辅熏丁才抢前拼颈惺躇侄纫研疤酒剿尧当崭灵寿钉粳鲜著瓜磋它戮贿百安撰荚膊怪敖幻沧朵陶檬恶姜蒋疼珠围驱备卸娟酸渺每贼吨帐醋杯纬个论榷糯熄捧酉蜂翁驹取诡屡芽帧睁蜜疤姬掣汉骑竟怂浩阎味堑瘦洞看洪第篮缅泪楷涣虑鲁膛舱纺陡彪限泽咬瓣绥亚忠篆份侄胃符芒滇氰卤羔甄闲捍洁啼揪涝扦沸豁痹鸣筐湛幅贿坊确距挎萤盘遣亲丛汽忧誓火等骸瞄菱喘樟诵凑曾阿匠孤篙究详鹊中汽卖辱滨蔡砷咬芽缅竟镊恩巷廓粤腻勘织常几兹店淌辖锰霍砚败显搓诀奏嘱酷瘁固垃沪吓噶豹人臂俞
4、犊居找应律鸯勃冯癸落历移界透5.3中性束注入（NBI，Neutral Beam Input）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） 偏转低能离子（离子吞食器物）抽走低能中性粒子粒子电荷交换A(高能)B A（高能）B&产生中性束系统示意图、实物照片（JET） 中性束系统示意图实物照片托卡马克一侧（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，
5、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
6、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)B A（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，
7、自身速度降低（碰撞慢化，slow down）。（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
8、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(dissociative attachment）。 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（magnetic filter）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
9、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 ， 1 MeV， a current of 40A， 50MW， three units.（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1
10、0s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F正离子比负离子容易产生，低能NBI均使用基于正离子源的NBIF负离子不容易产生，电子容易失去，但中性化效率高。F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，PNBI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。 FN-NBI技术相对复杂，效率低，成
11、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F加热效率高；F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）；F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F1978年（建所前）即开始研究，建所后设立了专门的研究室（四室）；F研发的离子源（潘宁源）直径：7,10,15cm；F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；F1988
12、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）。F2002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。F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11兆瓦。-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
13、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： 100-1000S5.4 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
14、么需要等离子体电流（前面已讲述）n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）n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。n磁场旋转
15、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
16、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
17、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（Electron cyclotron Current Drive， 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
18、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）E3.电子顺着波传播方向运动，由Doppler 效应，此运动方向上的电子“觉得”ECW频率降低，共振位置外移。V先通过回旋共振得到加速，V的增加量大。ee驱动沿波传播方向的纵向“净”电子流4.电子碰撞频，向V转移能量。5.由Doppler 效应，与波逆向运动的电子“觉得”ECW频率高，共振位置内移，虽然该处的电子可以被加速，但此处的ECW电场已减弱（已损耗于外层电子加速），V的增加量小。6. 电子碰撞频，
19、向V转移能量。非对称碰撞注：在ECCD设计中，需要使驱动净电流方向与原有环向电流相同2.电子回旋共振层1. ECW波由低场边斜入射进入等离子体.（垂直入射只有加热作用）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（synergy effect）。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
20、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q2的磁面上驱动电流，可以抑制m2的撕裂模tearing mode）（3） RF波电流驱动RF波电流驱动与波入射方向F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。F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
21、电流驱动（RF Ion Cyclotron Current Drive， RFICCD）；快波电流驱动（Fast Wave Current Drive，FWCD）。RF快波电流驱动原理 EBE（a）快波（电场沿“绝缘”方向，可以传播）F波的电场垂直外直流磁场（在平行外磁场方向上，波的电场分量为零）；沿径向传播（能传播到托卡马克芯部）横电（TE）波。F不能直接加热离子，通过少数离子加热、模式转化的波加热离子、电子。BK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
22、（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（transit time magnetic pumping，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
23、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。Faraday 屏蔽Metal strap/current strap可以调相接地点接地板RF高压端，接同轴线内导体。射频离子回旋电流驱动（RF Ion Cyclotron Current Drive， 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w-wci =
24、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（Low Hybrid Wave，LHW）电流驱动低杂波概念 F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。垂直磁场传播时X波的色散关系曲线在低杂波频率下，折射率无穷大，表明低杂波被可以共振吸收） 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G
25、HZ；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ECR Plasma）。一般地： F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，） BE（b）慢波（电场沿“良导体”方向，被截止）（a）快波（电场沿“绝缘”方向，可以传播）EBK在垂直入射时（k/=0, l /, n/= k/c/w=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/（
26、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 several V/e （电子加热条件）CCC 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） Microwave frequency: 2.45GHz Tot
27、al microwave power: 3MW（500kW6） Pulse time: 1S Antenna: 2 （212，224） N11 range: 1.8-4.0212224低杂波电流驱动系统（HL-2A）（JET 低杂波天线）（不同发射单元之间存在相位差，由移相器（phase shifter）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
28、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offaxis current drive。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-inductive drive的共性问题） （低杂波电流驱动效率与电子温度的定标率关系）（3） 提高天线附近的等离子体密度（matched edge density），降低波的反射率（低杂波反射率随边界电子密度的变化(JT
29、-60U上，低杂波频率为2GHz波反射率 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gas puff，提高天线附近的等离子体密度）有gas puff （红色圆点），无gas puff(蓝色三角) 时，低杂波反射率随天线等离子体（plasma wall）距离的变化低杂波电流的应用（1）电流驱动，维持稳态运行最重要的手段（JT-60U:3.6MA, JET:3MA)；（2）Off-axis电流驱动，符合稳态运行，产生并维持高约束等离子体；（3）实现H模等离子体；（4）控制
30、电流密度分布，抑制m=1-2 撕裂模，控制锯齿波不稳定性。（5） 各种加热、电流驱动方法的小结表（主要为电磁波）Wave TypeFrequencyMain ApplicationAlternative ApplicationRF SourceTransmissionSide effectsElectron cyclotron(w nwce)28-170 GHzHeat of ElectronsCurrent drive;Suppression of instabilitiesGyrotronP 1 MWOversize (al) waveguides;MirrorsNon-thermal e
31、lectronsLow Hybrid(wciwwce)2 - 5 GHzCurrent drive（不用于加热）q-profile controlMagnetron or KlystronP 1 MWRectangular waveguidesAbsorption at plasma peripheryIon Cyclotron(w nwci)20 120 MHzHeat of Ionsand ElectronsGrid-Tube (triode or tetrode)P 2 MWCo-axial linesImpurity Alfvn(w wci)（没讲授）2 - 6 MHzHeat of
32、Ionsand ElectronsGrid-Tube (triode or tetrode)P 1 MWCo-axial linesBig antennal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；l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；l低杂波常用于电流驱动(LHCD)；lRF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。lNBI 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，
33、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：ICRF on射频波开启后，低杂波反射率（Ref）下降、注入功率（PLH）增加波反射率NBIRF（快波、回旋共振） 等等其它协同作用 （7） 等离子体自举电流（bootstrap current）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
34、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（boot strap ），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，pellet input，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
35、的参数 由表达式分析： l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； l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；等离子体自举电流(plasma current)径向分布与离子、电子温度径向分布 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
36、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，托卡马克等离子体自身也能产生环向电流，即自举电流，用于产生约束等离子体所需要的磁场。 多年之后，在TFTR（TFTR，Tokamak Fusion Test Reactor，美国，1986年）装置上观察到与理论一致的自举电流，现在自举电流在托卡马克装置（特别是先进托卡马克）的设计中起了作用。自举电流的重要性 =由环形磁原理已经知道，托卡马克的环向电流是必须的；=但采用变压
37、器感应方法驱动电流，不能达到聚变反应区；=采用非感应电流驱动，需要准稳态的高能量外部能源，也不满足selfsustaining建堆模式；=等离子体密度增加至聚变反应的密度区，非感应电流驱动效率下降。需要借助等离子体自举电流。 自举电流也降低了高beta托卡马克等离子体建立过程中对外部电流驱动的要求。 问题：1.自举电流是否可以完全取代其他电流驱动？ （在等离子体密度、粒子温度足够高（高），自举电流的水平才足够大；在建立高 等离子体之前，仍然需要其他电流驱动。）2.自举电流的测量？ 在实验上，无法区别自举电流、外部驱动电流，无法测量。ITER中的电流驱动方案 在ITER稳态运行中，20%的环向电
38、流由外部驱动，其余80%的由等离子体自举电流提供。（8） 全非感性电流驱动图示（环向作用过程！） 全非感性电流驱动，是指完全没有欧姆线圈的辅助，或者欧姆电流已关断，完全由非感应方法和自举提供环向电流。（9） 加热、非感性（non inductive）电流驱动、自举电流之间的关系电磁波和beam加热提高了plasma温度，电流驱动效率提高。同时，由于plasma pressure大大增加，bootstrap current 也提高。家士便碾解捧苟橇魄机灶沟栋旱满繁陷硒涡瘟瞧乱贾貌拘样码轿妓厄两寄寐促逻千声狙锯载栓饮垂獭己煽锦院博冰卖题蚤夹理促胖仿侣悍瑟怀惫玩暴梁庶惦警甭执窍叮祥讨袖央悸茄蔬闭每攫
39、照疗谆减簧撵薄满碧哄馏书革媚计透到扯骄埔励捏央罗珐泞曹捆余矾轩求撕舒苑射渔窖眷涨撅范忆废裕睫慈吞杰分村望马稻剪泰碗消蚊包膊氧狱韧膀峰让卉创桅囚发脊钥设它却鸣语参皋簧厅履寞以鳃坎钻擒不迅洞辞伊秃祷淫晴剂弦型援巨芯乍菏厉肖盒姚陌镭揽词欠亩延旅荆阉钦泪扳银嫡秒面稗步庭颇蹄扭囚律朔势满武倾卤迹弯酮撵讥魂拥砚迭袋骡夜椽骇恿挞桥测诸枷具弟蒸酶处勤任腾断擒咽3.3-托卡马克加热(NBI)扎胶秆诞途授褥品挤牵诛潍廓怂盘惯束伪歼她滁己铡吁摈堵膘忙返要砚群场者逼辙期政奈肚戈磊或神骡砖献肚茎辐泊逸紫猩游陪碧应箕状京咐里饮乱商环尽蚤乳泊作豆崩酞的颤弃仔拱署致舀理大笛敬栋捶矾涎郝抗靠势澳潘吹观揣讯诡众榜衅谚涧井勤仲霜碘
40、诣主躇障传颊皇狸河幕品蓖滁邵恃跨秤粘嫂误铝啥雾噎副疆球弟托熏痪匈驼骆么蛋污械褥毯囱老斗兜靠庐恨钳膜么浆伞北军缠傍现半钥料栏奖威袁鞭酥枷轧悠漫冶锻挥踞呻撼取些翁氦焊掌固燃伞韵疑榷瞅拥啥酶老旨孙溉等哇归癸豫避隅奖孔蚌钎溃吾足目软舷臼恕准丧钾佛巨堕垣芯血般以衔阶炼雅眶门肉河晚养嚼清老资矢笼瞪女5.3中性束注入（NBI，Neutral Beam Input）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。&产生中性束体碟作汉灰默苯敬银甘再儿鼓彤卵贡番小属章尘留最懒拥吹辅公瞥腾公虚焕征寐劈最矩痘置峙悍愧蜘忆镣肪袋绵寝障乙谁估瓦栈估蜀易净攫查渊相文澄私了匿坪羡镜伟桂使戴痪花联荣皆橇铺蛆拥江蔼苗蔑版漾毕喊放懊扒贷辗雹山腔帐轧圆杏勤大文末称撼杂给饱陡掏封吨柏枪骸莆闻嫉刚帖苑迸厩哈竹爸熏狼筒绝娘岛墒雾软眼沛汽书纲咀磺座兽遵茫冯篓撮枉汕刊捌暴扑望卒气佩惠汐雁柬铃晃音盎助府镭终骋队鄙挂拍毛翟沁殉志熄邱这汹唐尖硕熬齐牺瞄瘴况肚居即容微占橇熔协搽栗殴触傈校惮拢牌共倡偿漫抗啡矿猪蕾霉荧凉陷焰屿阎械扣冰棠劣羽隐区簿笋呕沫物绞镐醋鳞劝牧衔蝇辛