磁约束等离子体边界涨落分析 清华大学工程物理系 刘君 导师：王文浩

球形托卡马克研究的意义 世界范围能源危机如何解决？ 解决办法：采用核能 能源环境污染问题如何解决？ 解决办法：采用聚变能 受控聚变能问题如何解决？ 解决办法：球形托卡马克

世界范围能源危机 世界能源供应走势（亿吨标媒） 世界能源需求： 1990（80.45） 2000（93.66） 2010（111.62） 2050（207.38） 可开采的非再生能源：煤— 219年（中国不足100年）；石油、天然气— 44年。

解决能源危机的办法 资源储量（等效 TW•a） 解决办法 煤炭 原油 天然气 U-235 U-238 Th-232 D Li (岩石中) (海水中) 1000 200 100 250 >104 2×1011 6×104 6×108 解决办法 U-235 仅够用几十年，如果发展增殖堆，把 U-238 和 Th-232 也用上，可用几百年。但如果利用好聚变能，则仅 3 米深的海水中所含的 Li 就可满足全球 3000 万年的能源需要！如果在开发出 D-D 聚变能，真可谓用之不竭。

能源环境污染问题 现存能源环境污染问题 石化燃料：重金属毒性（U, Th, Ra, Rn 排放量是相同发电能力核电站的 100 倍），含硫（SO2）、苯（苯并芘）、CO2 ； 裂变核能：乏燃料中次量锕系元素 的放射性寿命长达几百万年。 聚变能源：原则上不存在长寿命放射性核废料。 解决办法：聚变能——最清洁的能源！

受控聚变能问题 聚变控制方式

反应堆中等离子体约束条件 加热： T > 10 keV ——克服库仑斥力 约束条件： nt > 1020 m-3s “Lawson Criterion” ntT > 1021 m-3s keV “Triple product” 磁约束能达到的约束条件： n ~ 1020 m-3；t ~ 1 s 惯性约束能达到的约束条件： n ~ 1029 m-3；t ~ 1 ns

球形托卡马克的产生 1986年，美籍华裔科学家彭元凯首次提出了球形托卡马克（Spherical Tokamak，简称ST）新装置概念 特点：环径比A=R/a接近于1 优点：同样的磁场条件下该位形可以约束更高密度的等离子体，且内在地具有抑制垂直不稳定性的特点 上世纪九十年代，以START为代表的ST装置已从实验上初步验证了这种类型装置的优越性。

球形托卡马克世界范围分布

SUNIST简介 SUNIST是我国自行设计建造的第一个球形托卡马克实验装置。 基本参数： 环径比：1.3；拉长：1.6 环向磁场：1500G 等离子体电流：50KA 工作气体为氢气，欧姆放电持续时间约5ms，其中平台区长2ms

国内外研究动态 边界区湍流方面： Zweben S J等：观察到湍流存在相干结构和径向传播行为（NSTX ） Tournianski M.R.等：L-H模转换过程中的极向流速与径向电场之间的关系进行了研究 （START ） 王老师做过了边界湍流输运时间长程相关性相关分析。 边界湍流输运空间长程相关还基本没人做

国内外研究动态 静电测量与磁测量结合方面： 目前国内外的诊断测量均分别针对静电或磁独立进行，而将两者结合——即在空间任意一点同时取得静电涨落参数和磁涨落参数，并据此比较二者的差别与联系——此项研究在国内外还鲜有问津。

研究工作概述 实际测量并分析静电涨落及其驱动的湍流输运的空间行为是否具有长程相关特性 通过将静电探针与磁探针设计结合在一个探针上，同时求出径向静电涨落分布和磁涨落分布，并分析比较得出二者的区别与联系。 通过在探针上加装输运通量测量探针，从而验证等离子体湍流输运的阵发特性。

(一)空间长程相关性分析 诊断手段：静电探针——三探针 原理分析： 1.由三探针测得电子温度、电子密度、悬浮电位等瞬时值，并用如下公式求得涨落量 2.利用湍流谱分析技术求得径向上任意两点的谱功率密度分布 3.利用功率谱密度分布做空间长程相关性分析——即求取Hurst指数，判断在空间多大范围内静电湍流输运存在长程相关性。

(一)空间长程相关性分析 实验拓展 考虑到585所做相同的实验，将结果与在 SUNIST上所做结果进行比较，分析二者结果的差别，分析对比装置尺寸对空间长程相关性的影响。考虑等离子体湍流输运的空间长程相关性是否具有普遍适用性。

(二)静电涨落与磁涨落相关性分析 制作探针，将静电探针与磁探针做到一个探针上 同时取得径向任意一点的静电涨落与磁涨落。 对静电涨落与磁涨落做相关性分析 一致性分析 小波分析 双谱分析

(三)粒子输运通量的验证 在静电探针上加装粒子输运通量探针 取得径向任一点的粒子输运通量，同时利用静电探针取得该点的电子密度，电子温度，悬浮电位等参量 利用如下公式计算粒子输运通量 对比计算结果与实际测量结果，进行误差分析。

(三)粒子输运通量的验证 误差产生的可能原因 该公式的提出基于的假设： 分析该假设在SUNIST是否可行。 不考虑极向和环向不对称性 假定涨落频率远低于离子回旋频率 分析该假设在SUNIST是否可行。

实验拓展 如果时间容许，考虑由于现在SUNIST正在计划引入阿尔芬波加热方式，因此可以重做上述实验，看等离子体在该加热方式下有何新的特点。 实验设想：由于现在受装置条件所限，实验测量均为在某一个固定的窗口插入探针，再径向移动。考虑到更有意义的工作应该是沿D形截面外围布置探针进行实验，探索试验装置的改进办法。

任务难点 确定等离子体磁面的位置 解决办法：计划利用数值模拟的方法，结合探针实测数据，反演迭代，得到等离子体磁面的实际位置 数据采集过程中的抗干扰问题 解决办法：光电转换或者加强的屏蔽来减少外界对探针获得电信号的干扰。同时可以考虑加入光纤传输进行信号传输。

任务难点 真空预处理 问题产生的原因： 探针表面吸附了大量气体，必须经过一定的预处理才能进入真空室。 解决方案：采用PTC(正温度系数元件)对磁力推杆腔体进行烘烤，提高抽真空的效率，排出探针表面气体，保证等离子体主腔的真空度。

任务难点 探针外部推进装置的问题 问题的产生：在以前的实验中出现了磁力推杆无法正常径向移动的问题，导致实验无法正常进行。 解决方案1：检查磁力推杆的问题症结，修理并彻底解决，从新安装。 解决方案2：定制波纹管代替磁力推杆。

工作进度安排 2007年5-6月 文献阅读，开题 2007年7-9月 探针的安装与调试 2007年10-12月 探针数据采集 2007年5-6月 文献阅读，开题 2007年7-9月 探针的安装与调试 2007年10-12月 探针数据采集 2008年1-3月 数据分析以及论文撰写 2008年5-6月 论文答辩 补充说明：以上仅为计划安排，实际实施中将视情况可做适当的调整。

鸣谢 感谢我的导师王文浩老师在选题、文献调研、实验进度安排等多方面的悉心指导。 感谢刘飞师兄、谭熠师兄在实验装置等方面做的指导。 感谢所有今天到场的老师和师兄们。特别是感谢蒲老师的莅临指导。

谢 观 看