聚变等离子体中的湍流和输运

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1、聚变等离子体中的湍流和输运摘要：16过去二十年对等离子体约束的研究已经显示出等离子体横越磁场的输运主要是由低频漂移波湍流所驱动的。本文简要综述了在磁约束聚变领域中对湍流和输运研究的历史和现状。从上个世纪60年代，初步的等离子体湍流理论的建立至今，伴随着全世界范围内的磁约束聚变能研究，已经发展了大量的理论模型和数值模拟代码，并积累了丰富的实验结果。对于低频等离子体湍流所造成的横越磁场的粒子、热能和动量输运已经获得了较为深刻的理解。未来要实现聚变反应堆的高经济性能，需要我们对等离子体输运获得完全的理解，并找到有效的控制手段。以往用来预测未来聚变装置中等离子体约束性能，主要是通过经验定标率外

2、推。这些是不够的，目前迫切需要的是在已经获得的理解的基础上建立全面的可用来做预测的输运理论模型以及相应的数值模拟代码。获得可预测能力对于耗资巨大的聚变能发展来说是至关重要。各种空间不均匀性都可能成为不稳定性的驱动源，相应的产生了大量的微观不稳定性理论模型，在不同的等离子体参数范围、不同时空尺度、不同的输运通道适用不同的模型，至今没有一个适用于各种情况下的被普遍接受的模型。在现有的这些理论模型中，有几个主要的候选。等离子体芯部高温低碰撞区耗散捕获电子模（TEM）是主要的候选；等离子体周边温度较低区域，非线性驱动的环形电子漂移模可能克服磁剪切阻尼而不稳。在等离子体边界的低温高碰撞区一些流体

3、模型如电阻气球模可能适用，边界的情况比较复杂，一些原子过程如电荷交换和复合也可能起作用。实验中观察到边界相对较高的涨落水平，这些边界的涨落到底是来源于边界特有的不稳定性模式还是与芯部相同的模式，或者是芯部的漂移波传播过来的，至今仍然不清楚。70年代以后高功率中性束和离子回旋加热发展起来了，离子被加热到超过了电子温度，鉴于离子通道对于热核反应的重要性，离子温度梯度模（ITG）得到了长足的发展。这是环形几何下的一支声波，在平坦密度分布、陡峭离子温度分布的区域不稳定。ITG除了有较成熟的理论还发展了大型的回旋流体和回旋动力学代码。现在普遍认为离子通道已经能够成功的用ITG定量解释。在高约束状

4、态下芯部离子通道损失降到了接近新经典水平，但是电子通道还是高度反常的。理解电子热输运仍然是现在最大的挑战，未来反应堆稳态热平衡等离子体的电子温度将接近离子温度，电子通道不可忽视。近20年电子回旋加热等局部电子加热手段的发展使得在电子和离子解耦的条件下专门研究电子通道成为可能。和ITG对偶的电子温度梯度模（ETG）可能限制了梯度进一步的提高。实验中确实观察到的电子、离子温度分布都有阈值现象（stiffness）。但是ETG是短波长的模式，诊断能力限制了对这一时空尺度模式的实验验证，现在正在发展相应的诊断。ITG湍流自生的剪切层流“zonalflows”会破坏径向拉长结构，从而减小输运。E

5、TG会形成所谓“streamers”的径向拉长结构增大径向输运尺度。对于ETG考虑电子惯性，磁涨落变的不可忽略。磁扰动对电子热输运的影响仍然不清楚，产生磁扰动的还有微撕裂模，漂移波也可能和阿尔芬波耦合，尤其在高b情况下可能起作用。总之，这一领域发展至今已经能够解释大部分磁约束等离子体中的输运现象，但是还有许多未解决的问题，例如反常电子热输运以及相关的许多反常现象。半个世纪的发展已经使这个领域形成了庞大的体系，本文只是简述了主要脉络，希望能起到抛砖引玉的作用。实现经济的核聚变能源需要达到等离子体高约束性能，必须建立在对基本输运过程理解的基础上，所以等离子体输运一直是磁约束聚变的一个主要研

6、究方向。ITER项目以及建造未来的聚变反应堆耗资巨大，因此对获得可预测能力提出了强烈的需求，以建立政府和公众对投资和发展聚变能的信心。观察到的输运水平通常远超过碰撞和环形效应造成的新经典水平，因此称之为反常输运。过去二十年对等离子体约束的研究已经显示出等离子体横越磁场的输运主要是由低频（远低于离子回旋频率）漂移波湍流所驱动的。所以输运研究的对象主要是等离子体湍流。从上个世纪60年代，初步的等离子体湍流理论的建立至今，伴随着全世界范围内的磁约束聚变能研究，已经发展了大量的理论模型和数值模拟代码，并积累了丰富的实验结果。对于低频等离子体湍流所造成的横越磁场的粒子、热能和动量输运已经获得了较

7、为深刻的理解。其中离子热输运被认为理解的最清楚，这主要是得益于90年代ITG理论及其数值模拟长足的发展。主要是ITG类长波长湍流，与自生的“剪切层流”（zonalflows）以及E´B流相互作用，并受到磁剪切和等离子体形状的影响，形成多尺度湍流结构。计算得到的输运系数和实验观察值最为接近。ITG之所以发展的最充分，除了离子通道对于热核反应重要性的驱动作用之外，主要是因为只涉及到离子时空尺度，数值模拟较容易。跨越离子和电子宽广时空尺度的湍流模拟还