【摘 要】
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在氘-氚(D-T)磁约束聚变反应堆装置中,3.52Me V的反应产物alpha粒子经过慢化和热化之后将变成氦灰,其不可避免地存在于燃烧等离子体中。如果氦灰在等离子体芯部聚集,将引起辐射增强和燃料离子稀释,使得聚变等离子体温度和聚变功率下降,严重时甚至会诱发等离子体大破裂,危害聚变堆装置的安全运行。为了未来反应堆的高效和安全运行,必须控制芯部氦灰的浓度。目前普遍认为微观湍流是引起包括杂质在内的带电粒
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在氘-氚(D-T)磁约束聚变反应堆装置中,3.52Me V的反应产物alpha粒子经过慢化和热化之后将变成氦灰,其不可避免地存在于燃烧等离子体中。如果氦灰在等离子体芯部聚集,将引起辐射增强和燃料离子稀释,使得聚变等离子体温度和聚变功率下降,严重时甚至会诱发等离子体大破裂,危害聚变堆装置的安全运行。为了未来反应堆的高效和安全运行,必须控制芯部氦灰的浓度。目前普遍认为微观湍流是引起包括杂质在内的带电粒子反常输运的主要原因,且高能量的alpha粒子首先加热电子,由电子温度梯度或者电子密度梯度驱动的无碰撞捕获电子模(CTEM:Collisionless Trapped Electron Mode)湍流可能是D-T等离子体中引起氦灰输运的湍流模式之一。在聚变堆装置中,排出氦灰的同时也需要关注D-T主离子的输运,因为我们不希望过多地排出燃料离子(尤其是价格昂贵的氚)。本论文利用动理学理论,在弱磁剪切的托卡马克等离子体中,研究了CTEM湍流同时对氦灰和D-T离子反常输运的影响。首先,我们研究了氦灰对CTEM线性不稳定性的影响。利用线性回旋(反弹)动理学理论,分别求得D-T离子和氦灰(电子)的扰动密度,带入准中性条件得到了CTEM不稳定性的色散方程。通过求解该色散方程,推导出CTEM不稳定性频率和线性增长率的表达式,从而分析了CTEM不稳定性的参数依赖关系。我们发现当氦灰温度较高(低)时,氦灰解稳(致稳)CTEM不稳定性,且氦灰浓度越高、氦灰密度剖面越陡,氦灰的作用越明显,给出了区分氦灰解稳和致稳作用的临界温度表达式;升高电子温度和变平电子密度剖面都可以解稳CTEM不稳定性,这为理解电子回旋共振加热等离子体中CTEM湍流对氦灰输运的影响奠定了基础。此外,我们还发现提高D-T等离子体中T离子的份额(即增强同位素效应)也解稳CTEM不稳定性。这些参数解稳(致稳)CTEM不稳定性的物理机制都可以归因于漂移波和电子之间共振作用增强(变弱),更多(少)能量从共振电子转移给波,使CTEM不稳定性增强(减弱)。进一步,我们利用准线性理论分别计算了氦灰、D和T离子的准线性输运通量,并采取扩散加对流的模型得到了相应的扩散系数和对流速度,从而同时研究了CTEM湍流对氦灰和D-T燃料离子输运的影响。分析结果发现:在我们所使用的参数区间内,归一化扩散系数远远大于归一化对流速度,输运通量总是正的,这将非常有利于燃烧等离子体芯部氦灰的排出;向外的氦灰输运通量会随着氦灰自身温度的下降而降低,这表明氦灰的排出效率可能随着氦灰温度的下降而降低;同时,我们发现在排出氦灰的同时,虽然燃料离子的损失不可避免,但是增加电子温度、变平电子密度剖面或者增强同位素效应都将有利于实现排出的氦灰多于D-T离子,这为未来燃烧等离子体中多排氦灰、少排燃料离子提供了理论参考。
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