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聚变研究之不忘初心博客记事 2019年7月29日: 热度 2 等离子体科学 2019-7-30 17:38; 聚变研究之不忘初心博客记事 2019年7月29日昨在乐山做讲座，说的聚变研究之不忘初心。大概有这么几条： 1. 聚变燃料说到燃料，氘是首选。所谓“海水里有得是”、“取之不尽、用之不竭”，说的就是氘；还有就是氦3 —— 嫦娥计划，氦3这种战略资源是一个要点；当然硼在聚变方面也占重要一席：Tri Alpha这个公司，就是用硼燃料聚变产生三个alpha粒子这一事实来命名的。但无论是氘，还是氦3，或者是硼，其聚变能的获取都有一个巨大的挑战：门槛太高！笔者前面有提到（聚变之路谁先行（4））， DT聚变的截面在目前有希望达到的温度下，比其它燃料要高差不多两个数量级。 2. 热核聚变，还是加速器聚变？为什么核反应粒子能量都是用“温度”来标示，也就是说都是“热核反应”？最早的聚变反应确实是用加速器实现的，但反应截面太小，用于加速的能量远远大于核反应产生的能量。那么被加速粒子是否可以重复利用？比如环形对撞？答案是：否！因为库仑截面（10^-11）核反应截面（10^-16），还没等循环使用，一次对撞就“热化”了，所以只能是“热核聚变”。这两点在早期聚变研究就清楚了，但是不断有人提出“先进燃料”、以及各种基于对撞的“新概念”，就是因为忘记了“初心”。所以需要不断强调。还有一点就是位形问题。简单说就是：从二维位形分析我们知道 θ - pinch（相当于电磁学里的无限长螺线管）是绝对稳定的。但是三维空间里，不可能做一个无限长的，只能想办法解决端效应。一个是“两头堵”，把电流线圈向两端移动，加强两端磁场——得到磁镜位形。一个是“两头接”，对成一个环形。磁镜有损失锥。所以环形更好。而且越接近 θ - pinch越好：就是极向场越小、环向场越强越好。这就是托卡马克。环形磁场位形还有一个优点：拓扑稳定。一条磁力线可以铺满整个环面。（单连通封闭面的不行，有两个奇点。所以大家放弃了“球马克”，只剩“球形托卡马克”。）物理稳定性+拓扑稳定性，这就是托卡马克。其它“先进位形”，都不具备上述优点。仿星器的事情另外说。; 个人分类: 学海无涯|5962 次阅读|4 个评论

[转载]第一届中国磁约束聚变能大会第一轮通知: 等离子体科学 2019-2-7 14:05; 第一届中国磁约束聚变能大会今年10月底在成都召开。十年前就建议开这样一个大会，终于实现！第一届中国磁约束聚变能大会暨聚变能活动周首轮通知.pdf; 个人分类: 学海无涯|3577 次阅读|0 个评论

《计算等离子体物理导论》正式出版: xiehuasheng 2018-7-19 22:49; 许久未写博客了，听说有不少入行等离子体物理或者聚变的人关注，于是也再写写吧，说不定能激发一些兴趣或者新想法。《计算等离子体物理导论》其实今年二月（2018.02）就已经在科学出版社正式出版。这是国内乃至全世界第一本全面介绍计算等离子体物理方方面面的适合入门的著作，因为几乎每部分都有代码实现，拿来就能自己运行代码看到结果，并且其中涉及的许多问题都在物理、数学、数值计算等方面有意思、有深度。豆瓣链接 https://book.douban.com/subject/30161376/；出版社链接 http://cms.sciencepress.cn/2017010031/index.jhtml；书中源代码 http://hsxie.me/cppbook/。希望这本书的出版能起到抛砖引玉的作用，促进国内等离子体物理和聚变能源的研究。很荣幸的是，同月，王龙老师的《磁约束等离子体实验物理》也在科学出版社出版了。此前国内等离子体物理或磁约束聚变主要只有理论教材，现在数值模拟及实验也都有适合入门的的了。截图简介： \0 内容简介 ······ 本书是等离子体物理数值计算与模拟的入门教程, 基本涵盖了计算等离子体物理中常见的基础问题, 一类源自教学, 一类源自科研. 在内容编写方面, 笔者力求做到每一章节既有新意, 又有实用性, 使得读者对目前的计算等离子体物理研究内容能知其然且知其所以然. 与传统教材不同,本书将通过具体的算例来帮助初学者理解相关的物理概念和物理图像, 尽可能地降低读者的学习困难, 同时加深读者对计算等离子体物理前沿的理解. 书中的算例均提供了相关的代码(以Matlab 为主), 读者可直接使用或依据需要做相关的改写. 本书主要适用于等离子体物理专业的研究生和高年级本科生，也可作为计算等离子体物理研究的手册使用. 作者简介 ······ 北京大学目录 ······ 目录前言章绪论 1 1.1 计算等离子体物理 1 1.2 计算等离子体物理的先驱 4 1.3 计算等离子体物理的新挑战 7 1.4 本书内容 9 习题 13 第2章数据处理与可视化 14 2.1 谱分析 14 2.1.1 傅里叶变换 14 2.1.2 窗口傅里叶变换 18 2.1.3 小波变换 21 2.1.4 关联谱分析 22 2.1.5 包络分析 24 2.1.6 小结 25 2.2 数据误差及平滑、插值和拟合 26 2.2.1 数据误差 26 2.2.2 平滑 27 2.2.3 插值 27 2.2.4 拟合 29 2.3 数据可视化 31 2.3.1 基于现成软件可视化 32 2.3.2 底层代码实现可视化 36 2.4 数据处理一体化和图形用户界面 37 2.4.1 小程序的一体化实时数据处理示例 37 2.4.2 GUI数据处理工具集示例 41 2.4.3 实验数据实时系统 43 2.5 其他 43 2.5.1 模拟结果中色散关系的获得 43 2.5.2 频率的正负 45 2.5.3 动画和电影 47 2.5.4 从数据图中提取原始数据 47 习题 48 第3章算法效率与稳定性 49 3.1 算法精度与稳定性分析的普适方法 49 3.2 时间积分 52 3.2.1 欧拉一阶算法 52 3.2.2 蛙跳格式 52 3.2.3 龙格-库塔 56 3.3 偏微分方程 56 3.3.1 偏微分方程分类 57 3.3.2 对流方程 57 3.3.3 抛物线方程 60 3.3.4 椭圆方程 60 3.4 隐式算法 63 3.5 谱方法 64 3.6 有限元 64 3.7 其他 64 3.7.1 辛算法 64 3.7.2 Boris格式 66 3.7.3 时域有限差分和Yee网格 68 3.7.4 exp(Ht)的计算 68 习题 69 第4章单粒子轨道 70 4.1 洛伦兹力轨道 70 4.1.1 基本方程 70 4.1.2 磁力线方程 71 4.1.3 磁镜中的轨迹 72 4.1.4 地磁场中的轨迹 78 4.1.5 托卡马克中的轨迹 82 4.1.6 电流片中的轨迹 83 4.2 导心轨道 84 4.2.1 各种导心漂移 84 4.2.2 一组实用的磁面坐标公式 85 4.2.3 托卡马克中的公式 88 4.2.4 理想偶极场磁面坐标导心运动公式 90 4.3 补注 93 习题 93 第5章磁流体 95 5.1 描述等离子体的物理模型 95 5.2 常见的磁流体模式图示 98 5.2.1 扭曲模 99 5.2.2 气球模 100 5.2.3 撕裂模(磁岛) 101 5.3 线性问题数值解法 102 5.4 磁流体模拟 105 5.4.1 一维激波模拟 105 5.4.2 撕裂模及磁重联 107 5.5 托卡马克中的平衡 112 5.5.1 Grad-Shafranov方程 112 5.5.2 G-S方程的解析解 113 5.5.3 直接数值求解 115 5.6 局域气球模问题 120 5.6.1 打靶法 120 5.6.2 本征矩阵法 122 5.7 约化的磁流体方程 126 5.8 阿尔文连续谱和阿尔文本征模 130 5.8.1 柱全局阿尔文本征模 132 5.8.2 环阿尔文本征模 132 5.8.3 反剪切阿尔文本征模 133 5.8.4 全局气球模 134 5.8.5 内扭曲模 134 5.8.6 非圆阿尔文本征模 135 5.9 回旋朗道流体：磁流体的拓展 136 5.9.1 静电一维为例 136 5.9.2 展开R 136 5.9.3 流体方程 137 习题 139 第6章等离子体中的波与不稳定性 140 6.1 色散关系求根示例 140 6.2 冷等离子体色散关系 142 6.2.1 k(w)到w(k) 143 6.2.2 数值求解 143 6.2.3 静电还是电磁 145 6.2.4 等离子体波传播模拟示例 145 6.3 CMA图 147 6.4 流体色散关系普适解 147 6.4.1 普适数值方法 148 6.4.2 冷等离子体 150 6.5 热等离子体中的波与不稳定性 152 6.5.1 色散关系 152 6.5.2 等离子体色散函数 153 6.5.3 等离子体色散函数的Pade近似或多点展开 156 6.5.4 朗道阻尼 157 6.5.5 离子声波 160 6.5.6 广义等离子体色散函数 160 6.5.7 WHAMP代码 162 6.5.8 PDRK代码 164 6.5.9 电磁色散关系 169 6.5.10 相对论性问题 173 6.6 回旋动理学色散关系 173 6.7 半谱法模拟 176 6.7.1 流体简正模模拟 176 6.7.2 动理学简正模模拟 179 6.7.3 本征模模拟 180 习题 181 第7章等离子体中的碰撞与输运 182 7.1 二体库仑碰撞 183 7.2 一维平板和柱位形中的扩散 185 7.3 行走和蒙特卡罗模拟 187 7.3.1 基于函数的输运基本理论 187 7.3.2 一维行走计算输运系数 189 7.3.3 二维行走演示 190 7.3.4 列维飞行 192 7.4 蒙特卡罗法的更多应用 194 7.4.1 对流扩散方程 194 7.4.2 泊松方程 196 习题 198 第8章动理学模拟 200 8.1 Particle-in-cell模拟 200 8.1.1 *短的PIC代码 201 8.1.2 朗道阻尼 202 8.1.3 双流不稳定性 205 8.1.4 含碰撞情况 206 8.1.5 1D3V，伯恩斯坦模 206 8.1.6 其他 209 8.2 Vlasov模拟 209 8.2.1 朗道阻尼 210 8.2.2 其他 212 8.3 f算法 212 8.3.1 f模型 213 8.3.2 线性模拟 213 8.3.3 静电一维 214 8.3.4 离子声波 214 8.3.5 束流不稳定性 218 8.4 电磁模拟和Darwin模型 219 8.5 漂移不稳定性及输运 220 8.6 回旋动理学模拟 223 8.6.1 使用贝塞尔函数 223 8.6.2 使用多点回旋平均 227 8.6.3 线性本征模问题 231 习题 233 第9章部分非线性问题及其他问题 234 9.1 标准映射 235 9.2 捕食者-食者模型 236 9.3 Burgers方程 238 9.4 KdV方程 240 9.5 非线性薛定谔方程 242 9.6 一个微分积分方程的解 (BB模型) 244 9.7 环位形装置截面形状及不同q(安全因子)分布时的磁场 248 9.8 光迹追踪 253 9.9 Nyquist图及柯西围道积分法求根 254 9.9.1 Nyquist不稳定性分析方法 254 9.9.2 求复平面指定区域根个数 255 9.10 电荷片模拟 259 9.11 粒子模拟方法补述 262 9.11.1 一维静电粒子模拟中的问题 262 9.11.2 粒子-粒子模拟 263 9.11.3 分子动力学模拟 263 9.12 再论朗道阻尼 263 9.12.1 Case-van Kampen模 263 9.12.2 Vlasov-Ampere系统 265 9.12.3 连续谱、离散谱和剩余谱共存 268 习题 271 0章附录 272 10.1 等离子体物理基本参数计算器 272 10.2 矢量、张量和磁面坐标 273 10.2.1 度规张量与雅可比 273 10.2.2 磁面坐标 275 10.2.3 零位移情况 278 10.3 各种分布函数的产生 279 10.3.1 赝数 279 10.3.2 任意分布的产生 280 10.3.3 高斯分布的产生 281 10.4 高斯求积 282 10.5 简振模和本征模及模结构 283 10.6 阿贝尔反演 283 10.7 数值库的使用 283 10.8 集群使用简介 284 10.8.1 Linux使用 284 10.8.2 集群使用 285 10.9 其他实用信息 286 10.9.1 部分网址 286 10.9.2 数值分析方法库 287 10.9.3 CPC数值库 287 10.9.4 Mathematica软件的符号推导功能 288 10.9.5 等离子体物理主要期刊 289 习题 290 参考文献 291 ----- xiehuasheng 2018-07-19 22:43; 6069 次阅读|0 个评论

聚变之路谁前行？（2）: 热度 13 等离子体科学 2018-3-19 16:42; 从英国人提出的Lawson判据到苏联人发明的托卡马克，从德国人发现的高约束模式（H mode）到目前欧盟主导的ITER计划，磁约束聚变一直是欧洲人在引领前行。而自从1990年代美国政府把其国内的聚变研究计划砍得七七八八，并退出ITER计划，美国在磁约束聚变研究方面似乎一直在扮演着拖后腿的角色。终于，美国人“雄起”了一把，MIT提出了15年建成世界第一个聚变电站的计划。还真使人眼睛一亮。在这之前，参加ITER计划的七方（中、欧、日、美、俄、韩、印）大都在讨论自己的磁约束聚变路线图。但是真正着手做事情的只有中国。2006年加入ITER计划之后，中国马上就提出了中国聚变工程堆（CFETR：China Fusion Engineering Test Reactor）计划，并在十二五期间成立了总体组，正式立项开展CFETR概念设计。这一项目于2016年底结题，并在去年下半年正式启动CFETR初步工程设计。预计2022年完成。根据正在讨论的路线图，聚变电站的建设预期大约在2050年左右。这在几年前世界各国聚变科学家云集合肥、讨论CFETR概念设计的时候，还被称为雄心勃勃的计划——预期世界第一个聚变电站很可能会在中国建成；在去年10月纪念中国参加ITER计划、国家聚变执行中心成立十周年时各国科学家通过的“北京宣言”中再次高度评价了这一计划。不过半年时间，美国人把这一预期提前了至少20年！确实激动人心！问题是：怎么做到？——用行话说，就是依据是什么？即可行性论证。看到的依据，就是三条：1，新的技术路线——高温超导紧凑型托卡马克；2，MIT的前期研究基础；3，来自民间的经费支持。先说第二条：在工程领域、特别是核工程领域，如果MIT自认第二，没人敢说自己第一。这方面的基础，甩Skunk Works十万八千里。但是具体到磁约束聚变的研究基础，对比世界最大的JET（欧盟集体），亮点频出的Asdex（德国），稳步前进的DIII-D（美国的General Atomics），MIT并不占优势。 MIT正在运行的托卡马克C-Mod几年前甚至曾面临下马的命运 —— 已经很认真地与中科院合肥等离子体物理所谈如何把他们的实验团队搬到合肥去的具体方案。后来因为麻省一个有势力的参议员施加了压力，能源部才重新决定拨款维持C-Mod运行（看来美国也有“人情项目”）。但是，“被下马”的阴影一直笼罩在C-Mod头顶上。MIT这次提出的计划，未尝不是一种绝路求生的手段。但在强磁场技术和超导技术方面，MIT确实有世界领先地位的资格。当年世界最大的强磁场实验室就在MIT（尽管后来新建的被FSU抢去了），且C-Mod就是以强磁场为特点的托卡马克；MIT的另外一个偶极场装置LDX的大型励磁线圈超导磁悬浮技术更是世界上独一份。所以MIT这次的计划突出这两点，还真可能是绝处逢生的契机。因此，我们接着来说说第一条：这个高温超导的技术路线，显然是MIT结合自身优势提出的：基于他们低温超导技术的基础、发展高温超导新技术，以获得更强的磁场，实现更好的磁约束。这显然也应该是磁约束聚变发展的方向。—— 磁约束，顾名思义就是用更强的磁场造出更结实的“磁笼子”，“关”（约束）住更热、更多的等离子体。低温超导体受到临界磁场的限制，得到的磁场强度大约在10 tesla左右。国内正在研制铌三铝超导材料可以实现大于10 tesla的强磁场，但是也高不了太多。而用高温超导体可以实现大于20 tesla的强磁场。因为（力学平衡意义上的）磁约束能力与磁场强度的平方成正比，所以在这样的强磁场下，前面说的压强梯度产生的广义力和不稳定性可以很容易被抑制。在紧凑型装置上达到Lawson判据、实现聚变点火将不再是Skunk Works说的那种空中楼阁，而成为切实可行的方案。当然，包层、氚工厂、和其它辅助系统仍是必不可缺的。但是堆芯这一块确实可以减小体积、降低造价。降到多低？5000万美元？这个不会有。所以，我们还得说说第三条： MIT获得了5000万美元的非政府经费支持。在这之前Tri Alpha也得到了大约相同数量级的民间经费支持。国内的新奥能源（ENN）也决定积极参与中国的聚变研究。民间资本注入聚变研究，已经成为世界性的。非政府经费支持不仅注入新的资金、而且注入新的活力。国内建议在CFETR之后、2050年建聚变电站，还有不少人反对、认为太快。非政府经费一进来，目标就是10年（Skunk拿的也是风投）、15年。这虽然说得有点玄，但对政府计划是个不小的推动（就像Space-X）。那么，5000万美元靠谱吗？显然不靠谱。五千万美元，3亿多一点人民币，做几个MW级加热都不一定够！有人出来说，这只是启动经费，初步的计划是5-10亿美元做一个Q2的托卡马克。这大概和几年前MIT的Coppi教授来中国时说得差不多，可能确实是MIT的底牌。 ITER的造价是50亿欧元，相比起来，5-10亿美元也算是很省了，但很可能这么说的也就是个“裸”马克而已。ITER造价是包括所有加热和诊断的，不仅仅是托卡马克本身。一个MW级的加热，就差不多要一千万美元。MIT计划的装置，热功率100MW，至少需要达到125MW聚变功率（1/5的聚变功率是alpha粒子的，留在等离子体里，变不成热功率）。Q=2，意味着加热功率至少要60MW，这就差不多5-6亿美元进去了。还有诊断等等。按ITER包括的系统来计算，加起来20-30亿美元是很可能的。如果加上包层、氚系统，可能要上百亿美元。不信？ITER留了三个窗口做产氚包层研究，中国只做其中半个（覆盖面积不到ITER表面积1/50），计划经费大约7-8亿人民币！当然这里包括预研。但是看看MIT的计划，哪项技术不需要预研？这就要详细说说高温超导技术。第一个将高温超导技术用于聚变的是中国。按ITER原有设计，低温超导系统直接与外部电源线连接。中国提出：可以在低温超导系统和外部室温电路之间，加一段高温超导馈线过渡，改善超低温系统与室温系统之间的连接。这个方案为ITER采用，使高温超导技术得以第一次实际应用于聚变工程。馈线由中国生产、提供（这是ITER采购包之外的），为中国GDP和外贸出口中“高大上”那部分添了一块砖。但是大型强磁场高温超导线圈的制造并不是件容易的事情，有很多工艺上的难关。国内两个聚变院所都在布局、开始做这方面的研究。国外的预研也是刚刚起步。不说缠一个可以产生磁场强度20 tesla的高温超导线圈，就是做一个几个tesla的，没有个三、五年的预研，恐怕也拿不下来。这是一。另一点就是高温超导体在大通量、高能量聚变中子长期辐照下，性质会发生什么变化？谁也不知道。可能几个dpa（材料结构破坏程度的量度）的辐照损失就把超导电性破坏了。这要是在裂变堆里做辐照试验，也要照上几年。这是二。所以，最乐观的估计，5年时间工程设计+聚变堆关键技术预研、5年时间建堆、5年时间运行解决氚自持+alpha粒子自持加热+堆材料研发、15年后启动DEMO，这还是以经费充足、及时到位、预研和工程技术一切顺利为前提。总之：如果走托卡马克路线（MIT还是打算走这条路）的话，要建电站，一个是造价要百亿美元数量级、一个是时间最快也要15年以后才开始（而不是15年就可以发电）。这里会卡脖子、造成延迟的，一个是氚自持、另一个是堆材料。氚自持另外讲，只说堆材料的问题：一个GW级的堆，10年运行下来，dpa要几百。现有的材料，能抗的dpa也就几十。CFETR一期可以用，二期（低于DEMO要求）就要研制新材料；DEMO一定要新材料，更不要说聚变电站了。现有材料是造不出聚变电站的。值得高兴的是：中国的金属材料研究者们提出了一种新配方，可能大大提高结构材料的抗辐照能力。我们期待他们的新成果。一句话：聚变之路，现在美国人在说：他们可能走在前面；但是从实际行动和成果看，中国目前还是走在最前列。 15-20年内，聚变电站不一定建成，但是一定可以建成几个可以点火燃烧的聚变实验、工程堆；聚变能源不一定有，但是实现聚变发电是可能的——阮可强院士在世的时候常说的一句话就是：ITER就可以发电呀！冷却水温度达到200℃就可以发电了。至少中国的CFETR，15-20年内，会有第一颗聚变能量点亮的电灯泡！; 个人分类: 学海无涯|10804 次阅读|16 个评论

关于《磁约束等离子体实验物理》一书的出版: 热度 2 dujunfu 2018-3-12 16:47; 关于《磁约束等离子体实验物理》一书的出版我原来在所里工作时，曾设想过 50 岁以后到学校教书，后来自然未能遂愿。但是大概 2002 年吧，华中科技大学想引入美国的 TEXT 实验装置，建立等离子体和受控聚变专业，但缺乏师资。他们从合肥的科大调入我的同学胡希伟。但缺乏熟悉实验的，就通过胡与我联系，叫我到那儿讲课。我就去了两次，每次一个月，每周讲两次。当时我写了个比较简单的讲义。 2006 年，北大物理学院也决定建立这个专业，当然也缺乏老师，就从外边请了几位，我也在内。后来那几位来了一次就不来了，只有我讲了三次，算是他们的研究生正式课程，在《北大物理百年》这本书上有记载。后来我也不去了，由他们学校的李湘庆老师讲。我后来不去了，除去嫌累外，交通也不便。北大虽离我家不远，但不好乘车。北大东门是个很乱的地方，不好打车。在北大讲的几次，边讲边修改讲义。后来又在四川大学和西南物理研究院各讲了一次。讲的目的，也是为了征求意见，好修改讲义。 2016 年，西物院的严龙文教授还拿其中的第８章作为暑期学习班的教材。在这之前，我还把部分章节给科大的俞昌旋院士和西物院的袁宝山教授看过。他们均提出了一些宝贵的修改意见。后来，北大的郑春开教授将我这讲义推荐给北大的一项“中外物理学精品书系”，在 2013 年获得通过。但是很奇怪，到了 2014 年 7 月，北大出版社才通知我，叫我当年 10 月底交稿。我按时交了，后来进度却搁浅了。原因是，这批资助规定到 2014 年底为止，而出版社原来以为，拖一点时间没关系，却不料上面要求年底出齐。这自然办不到，于是这本书就出不成了。这当然是他们工作上的失误，也不算新鲜，但是他们当时竭力想掩盖他们的错误，想把责任推给我，就很不应该了，所以我对这个出版社印象很不好。当然，另一方面，我对出版这书也不很积极，因为感觉不成熟。我虽在此领域工作多年，但一直忙于具体事务，对业务钻研不深，总感到这讲义有很多问题，想进一步修改。但是从 2016 年起，感觉身体大不如前，很怕以后再没精力了。于是我想找科学出版社联系，因为感觉他们的书比较正规，装帧也大方。因为该社负责物理的钱俊原来是物理学会的，比较熟悉。前几年刘寄星领导我们翻译《 20 世纪物理学》，他也是责编。和他联系以后，他建议我申请资助。我按程序填了表，想请李建刚院士推荐。李建刚知道此事后，决定由他那里资助，就无须申请了。这样做的好处是出书能快一点。其实我在所里理论上也能找到这钱，但手续上麻烦一点。如果申请资助，要今年申请，明年审批，后年出书。但李建刚此举也遇到困难。他们的财务说我不是他们所的，不能资助。其实我还算他们的 EAST 科技委员会成员，能说得过去。后来解决的方法是在合同上写明，著作权属于我和李建刚，但作者只署我的名。原来出版社能签这样的合同。当时踌躇书名叫什么。因为主要针对托卡马克，又因为侧重实验，内容庞杂得很。跟一些朋友征求意见。一次大概是开什么学术会的机会吧，他们几个商量，给我建议了这个书名。这事解决了，就进入实施阶段。出版社法外开恩，允许不再审稿，进度就快些了。但是仍很麻烦，因为是实验的书，插图很多。这方面没经验，稿子毛病很多。合同是前年年底签的，规定 2017 年 3 月底交稿。我是 3 月 20 日交的， 8 月 28 日取回一二连校清样， 10 月 17 日返回，连同两个附录。 12 月 7 日取回三校清样， 19 日返回。今年 3 月 5 日拿到书。一共折腾了一年。这书中有两外文名词，原来没有标准译名。一个是 blob ，是一种介观尺度相干结构，密度较周围高。其字面意思是“斑点”、“一滴”。我翻译为“凸斑”，自觉比较合适且传神，因为还有相对的“凹斑”（ hole ），指密度较低的结构。另一个是 streamer ，也是相干结构，为长条形，我译为“幅带”。“幅”指其尺度较大，“带”指其形状。但是英文词有“流”的意思，没有体现出来，所以感觉不很传神，但找不到更好的解决方法。; 个人分类: 科技漫谈|4266 次阅读|2 个评论

磁约束、能量的反常输运、多尺度物理问题的挑战: 热度 3 等离子体科学 2017-9-29 22:37; 国际热核聚变实验反应堆（ITER）计划的主要目标是建设一个大型的磁约束装置（托卡马克），研究稳态运行和（氘氚聚变）燃烧等离子体物理过程。能量约束时间是托卡马克等离子体的一个关键参数。《淮南子 · 天文训》中有这样一段话：“积阳之热气久者生火，火气之精者为日。”所谓“积”就是要很多——数密度要高；所谓“阳之热气”就是温度要高；而“久者”，就是能量约束时间要长！这三要素都具备了，才能“生火”——点火条件。“点”什么“火”呢？——“火气之精者为日”，烈日之火，当然就是核聚变！（所以《淮南子 · 天文训》中这一段话其实是聚变点火条件——密度、温度、能量约束时间三乘积的定性描述。）磁约束的主要作用之一就是在垂直磁力线的方向上减弱输运过程，把粒子和粒子能量约束住。因为输运系数与输运方向上的特征尺度成正比，理论上可以预期，垂直磁力线的输运系数与带电粒子的回旋半径的平方成正比、也就是说与磁场强度的平方成反比！这种性质的输运过程被称为经典输运。如果磁约束装置的实际输运过程遵从这种标度关系，磁约束应该一种非常有效的聚变途径。可惜自然界没有分发给我们“免费午餐”（Free Lunch）：实际看到的托卡马克等离子体输运过程中，输运系数是与磁场强度成反比！这被称为“Bohm输运”，也称“反常输运”（Anomalous Transport）。这种“反常输运”显然大大削弱了磁约束的效应。这也是磁约束聚变能源研究的目标迟迟不能实现主要原因之一。这种反常输运的物理机制被认为是等离子体湍流引起的，也被称为“Turbulent Transport”（一般译作“湍性输运”或“湍流输运”）。上世纪80、90年代人们做了大量的理论、实验、和数值模拟研究，发现沿着托卡马克装置径向的湍流涡旋（TurbulenceEddy）的特征尺度远远大于回旋半径，达到宏观的流体尺度，沿着径向伸展成一条一条的“流状飘”（streamer）。这是湍性输运具有Bohm性质（与磁场强度本身、而不是磁场强度的平方成反比）的机制。 1990 年代末到世纪初的约束与输运研究主要集中于对湍流涡旋streamer的演化与抑制研究。其中最重要的进展是发现“带状流”（Zonal Flows）对湍性输运的抑制作用（ TurbulentTransport Reduction by Zonal Flows: Massively Parallel Simulations , Z.Lin et al , Science 281 , 1835 (1998) ）。ZonalFlow是湍流演化过程中形成的一种低频、零模数（沿着大环和小环方向的“量子数”都是零）自组织结构，因为这种结构沿着磁力线绕成的磁面发展、在径向呈小尺度变化，对streamer形成周期性“调制”，截短了streamer沿着径向的尺度。从而减小了径向输运系数，改善了托卡马克约束。（下图：左为没有zonal flow形成时的steamer结构。中间和右边是存在zonal flow调制时streamer结构被“截短”。）引自：林志宏等, Science, 1998 这几天，磁约束聚变专项聚变等离子体输运问题研究项目在武汉开年会，会议主题是输运过程的多尺度问题。小尺度的微观湍流研究近20年来取得很大进展。进一步的实验研究揭示微观小尺度的湍流与宏观大尺度的磁流体（MHD）模数之间的耦合对约束与输运过程也至关重要。过去，人们对这样的多尺度问题，主要利用特征尺度近似的方法，建立基于不同特征尺度的近似模型，在不同尺度范围内求解该尺度下的主要物理问题。但是，对于跨尺度的问题，这种近似很难求解。如果不采取任何近似处理，解析分析会变得非常复杂，数值计算时间更会非常长（因为要分辨短时间尺度、小空间尺度的变化， D x 和 D t 都会缩小一个到好几个数量级）。这对磁约束聚变等离子体物理研究无疑是一个非常严峻的挑战。近五年来，国内和国家的等离子体物理学家们正在用不同的方法应对这一挑战。; 个人分类: 学海无涯|11661 次阅读|6 个评论

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