KTX装置涡流诊断系统研制及反场箍缩中发电机效应的实验研究

发布时间：2020-09-26 16:34

　　发电机效应是一种普遍存在于自然界与实验室的物理现象。反场箍缩位形中可以产生持续稳定的发电机效应,且富含各种不同驱动机制的发电机现象。发电机效应是磁场自组织现象的基础组成,涉及反场箍缩等离子体弛豫到沃杰-泰勒态的核心过程,是反场箍缩位形平衡与不稳定性的关键因素。反场箍缩装置中壳上涡流的演化与电阻壁模、撕裂模等不稳定性密切相关,涡流时空分布的研究可以促进对等离子体平衡、破裂与三维扰动磁场等物理机制的深入理解。稳定壳涡流诊断适于观测环形磁约束装置的三维物理现象,利用全空间的涡流分布探究等离子体的发电机效应,摆脱了发电机现象空间随机发生对诊断系统的制约,从而使得借助涡流诊断研究发电机效应具有独特的优势。论文首先详细介绍了科大一环装置(Keda Torus eXperiment,KTX)的复合壳涡流诊断系统:涡流探针阵列,该阵列是KTX装置原创并成功实现的诊断技术。涡流探针阵列具有测量精度高、覆盖等离子体闭合边界、实现涡流矢量测量以及可同步给出电场与磁场的信息等特点,适用于环形等离子体三维物理的实验研究。文中逐步展示了涡流的测量原理、探针阵列的组成和具体分布,并对各部分探针的标定、模型验证以及平台上的测试进行了介绍。利用涡流探针阵列给出了KTX装置放电期间,复合壳上涡流幅度与角度的时间演化,且将其转化为电流函数从而更为直观地呈现了涡流分布。基于涡流诊断的三维布局、闭合边界以及涡流矢量测量等特性,可将其应用于等离子体平衡、不稳定性分析、磁场自组织现象以及主动控制等多个方面。而后利用极向振荡电流驱动(Oscillating Poloidal Current Drive,OPCD)技术有规律地调制锯齿崩塌事件,首次系统地研究了边界振荡电场对发电机现象的夹带效应和离子加热的影响。OPCD可以调制反场箍缩中的磁场扰动以及弛豫行为,常规放电中随机发生的锯齿会在OPCD调制下爆发时序呈规律变化,只在振荡周期中的特定时刻重复发生。OPCD虽能将锯齿崩塌时刻约束在较窄的相位范围内,但依旧保留了两次锯齿崩塌间隔的内禀随机性。通过改变不同的振荡参数,给出了锯齿夹带效应最佳的放电条件,并研究了锯齿发生频率与OPCD调制频率之间的关系。之后,从平衡参数演化和相应的磁流体力学行为来分析OPCD周期性调制锯齿行为的机制,在((?),F)相图中给出了等离子体的稳定区域边界。借助离子多普勒光谱仪发现OPCD可以周期性地调制杂质离子(C+4)的温度变化,并且离子温度随着振荡电场的周期而逐渐升高。论文最后通过测量MST装置稳定壳上涡流扰动的时空分布,分析了发电机现象的三维演化特征。观测结果表明,锯齿的发展与崩塌过程均呈环向不对称的三维结构。在锯齿崩塌之前,涡流扰动的空间分布具有明显的环向不对称性,该不对称性表现为在(1,6)撕裂模上的局域空间幅度调制,并在环向上呈倒钟型包络结构。随着该包络幅度的逐渐增加,沿环向旋转的包络开始减速,此后(1,6)撕裂模也随之降低旋转速度,但包络减速时刻先于(1,6)模。利用涡流复信号研究磁流体模式的波数谱展宽,分析出其谱展宽在锯齿崩塌前存在一个极大值点,并将该时刻定义为锯齿崩塌的起始时刻。统计汇总起始时刻及其前后包络和不稳定性的幅度信息,观测到包络幅度在崩塌起始点变化不大,而在此前后幅度变化明显。与此对应的是,不稳定性幅度在起始时刻前后变化不显著。由此给出,包络幅值在锯齿崩塌起始点存在一阈值效应,而不稳定性幅度无此效应。综合OPCD调制锯齿崩塌夹带效应的(F,(?))参数相图的统计结果,以及涡流时空演化特征,可以给出撕裂模空间幅度调制是引发锯齿崩塌的先兆原因,在等离子体达到稳定区域边界的前提下,包络幅度增加至阈值则是锯齿崩塌的触发机制。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM31
【部分图文】：

曲线,对能,组成部分,聚变反应

就能得到所需的反应速率。由于聚变反应通常只发生在极高的温度下，逡逑所以也称聚变反应为热核反应，聚变反应物所处的状态即为等离子体态。不同逡逑反应物在不同温度下的反应速率也有所区别，图１．２中给出了几种聚变反应的反逡逑应截面ａ以及反应速率系数＜逦＞随温度变化的曲线［２］，其中反应速率系数逡逑＜邋ｃｎ；邋＞为反应截面ａ与粒子间相对速度的乘积在麦克斯韦速度分布下的平均逡逑２逡逑

聚变反应,原子核,反应截面,反应速率

２００５逦２０１０逦２０邋丨邋５逦２０２０逦２０ｔ＊？逦２０－＾０逦２０１５逦２０４０邋：ＩＨ：Ｓ邋１０５０逡逑ＭＣｏａｌ邋ＢＯｉｌ邋ＯＣａ．％邋ＱＮｕｒｌｃａｒ邋■ＲｅｉＭ＇Ｗｄｈｌｅ逡逑图１．１邋２０５０年之前全世界对能源需求及组成部分预计，摘自【１］逡逑同位素l#。第四种使用l#和氦的同位素３ｉ／ｅ为燃料。最后一种称为Ｔ－Ｔ反应，逡逑自然界中不存在氚，人工制取成本昂贵，较少选用Ｔ－Ｔ反应作为聚变堆的主要逡逑反应形式。逡逑Ｄ邋＋邋Ｄ邋－＾３Ｈｅ邋＋邋ｎ邋＋邋３．３ＭｅＶ逡逑Ｄ邋＋邋Ｄ－＾Ｔ邋＋邋ｐ邋＋邋４．０ＭｅＶ逡逑Ｄ邋＋邋Ｔ邋＾ＡＨｅ邋＋邋ｎ邋＋邋１７．６ＭｅＶ逦（１．１）逡逑Ｄ邋＋邋３Ｈｅ＾４Ｈｅ邋＋邋ｐ邋＋邋１８．３ＭｅＶ逡逑Ｔ邋＋邋Ｔ邋＾４Ｈｅ邋＋邋２ｎ＋邋１１．３ＭｅＶ逡逑实现上述的核聚变反应需要使原子核间的距离达到ｌ0－１５ｍ，核力才能够发逡逑生作用，从而将两个原子核融合。但是带正电的原子核间具有很强的库仑势垒，逡逑会阻止原子核彼此靠近。若使两个原子核具有极高的运动速度后再发生相互碰逡逑撞，这有可能克服彼此间的库仑势垒而产生聚变反应。如何在足够长的约束时逡逑间内，克服原子核间的库仑斥力而产生足够速率的聚变反应，正是核聚变领域逡逑的根本难题。通过加速器对原子核进行加速，可使其达到核聚变反应所需的动逡逑能。但是让原子核发生对心碰撞的难度极大

示意图,仿星器,磁约束核聚变,托卡马克

现聚变堆最有希望的方式，按照磁场分布又主要分为托卡马克（Ｔｏｋａｍａｋ）邋［５］、逡逑仿星器（Ｓｔｅｌｌａｒａｔｏｒ）邋［６］和反场箍缩（Ｒｅｖｅｒｓｅｄ邋Ｆｉｅｌｄ邋Ｐｉｎｃｈ，ＲＦＰ）邋［７］三种磁约逡逑束位形，其各自的位形示意图如图１．３所示。逡逑这三种位形各有优缺点，当今磁约束核聚变研究的主流主要集中于托卡逡逑马克装置，其等离子体约束状态最为理想。托卡马克的名称Ｔｏｋａｍａｋ选自于逡逑几个俄文词环形（ｔｏｒｏｉｄａｌ）、真空室（ｋａｍｅｒａ）、磁（ｍａｇｎｅｔ）、线圈（ｋｏｔｕｓｈｋａ）的字逡逑头，其概念由苏联科学家于１９５１年提出。托卡马克位形的主要特点是环向纵逡逑场远大于极向磁场，等离子体压强适中，且电流相对较小。在托卡马克上实现逡逑的高约束运行模式（Ｈ－ｍｏｄｅ）可以显著增强等离子体约束，相较于低约束模式逡逑（Ｌ－ｍｏｄｅ）能量约束时间提升了邋２－３倍，这大大降低了下一代磁约束聚变实验逡逑装置和将来的聚变示范反应堆的尺寸参数和相应造价。目前触发Ｈ模的物理机逡逑制、Ｌ－Ｈ模转换机理、台基区的形成以及边缘局域模的驱动、控制或缓解都是逡逑托卡马克实验中的重要研究方向。逡逑仿星器位形因为模拟恒星内部持续不断的核聚变反应而得名，是一种非轴逡逑对称的三维磁场位形。仿星器的约束磁场主要由外部线圈电流所维持

【相似文献】