EAST中阿芬波的研究和DⅢ-D中阿芬波的主动控制

发布时间：2020-05-11 14:48

【摘要】：托卡马克是研究核聚变的主要装置类型之一,里面发生核聚变的主体是高温等离子体,而聚变反应的产物之一是高能量α粒子;此外辅助加热,包括低杂波、电子回旋、离子回旋和中性束加热也会引入大量高能量电子和离子(这里的高能是相对于背景等离子体的温度而言),这些高能量粒子会驱动等离子体的一种基本本征模叫阿芬本征模,阿芬本征模会反过来影响高能粒子的轨道和约束,因此在现有的装置上研究和预测这些高能粒子与阿芬模的相互作用十分重要,同时由于阿芬波在未来的聚变堆里难以避免,因此发展有效的工具控制阿芬波在一定的范围内,减少阿芬波的负面效应,对于聚变反应堆的稳态运行有重要意义。本论文的研究工作的创新性是首次研究在EAST的稳态长脉冲等离子体低杂波加热条件下观察到的快电子驱动的阿芬波,以及在DⅢ-D上建立了第一个阿芬波反馈控制系统,两部分内容摘要如下:(1)对EAST等离子体在低杂波加热条件下对阿芬波实验现象的研究:[ⅰ]通过观察2015年到2016年期间的放电数据,用磁探针的频谱发现实验炮在放电过程中经常出现频率范围为100-450 kHz的扰动模,分析单次放电数据,发现模的频率演化与电子的密度平方根和安全因子成反比关系,即f∝1/(?)和f∝1/q_95,若对不同的放电炮的的统计会发现f∝vA/(4πq95),这里的vA是等离子体的阿芬速度,根据以上性质推测这些模属于阿芬模(AE);[ⅱ]再结合GTAW程序计算的阿芬波连续谱和连续谱间隙(gap)判断,这些模的频率处于TAE和EAE的频率范围;[ⅲ]更进一步用GENRAY-CQL3D程序计算的结果表明,低杂波加热产生了高能电子,能量为12—300 keV的穿行电子、浅捕获电子和深捕获电子都能与等离子体中的AE发生共振,而低杂波功率的不均匀沉积、导致高能电子分布函数发生粒子数反转,驱动了AE不稳定性;[ⅳ]最后对数百炮的统计结果显示AE出现的情形通常是,低杂波功率高于1MW,同时等离子体密度低于3 × 10~19m~(-3).(2)在DⅢ-D托卡马克装置上对AE的主动控制实验:通过实时ECE诊断,可以实时测量从边界到芯部的AE的幅度和频率,在此基础上建立了第一个AE控制回路系统,通过测试不同的控制器,实验可以分为两个部分,[ⅰ]用NBI对AE整体幅度和局部幅度进行反馈和前馈开环控制,[ⅱ]ECH对阿芬模的前馈开环控制;[ⅰ]的控制结果表明ECE对AE的实时测量能被用来作为有效的AE反馈控制系统的输入信号,在0-8 MW的范围内调节NBI功率,AE的扰动幅度能控制在目标值附近,因此NBI能被用来作为未来聚变堆里的局部或者整体AE的候选控制器;而[ⅱ]的控制结果表明注入q_min附近的ECH对AE有显著影响,但是与NBI相比,ECH的控制结果更加复杂,涉及到的物理演化过程需要另外的更详细的物理实验去探究清楚;除此之外,用TRANSP程序计算的中子产率和测量的中子产率相比较,发现实验的中子损失率随AE的幅度同步变化,因此中子产率也可以用来表征AE幅度;将来升级AE控制系统的时候如果有能迅速计算中子产率的方法,就能将其运用到AE控制器;本论文还尝试了用零维模型去计算中子产率,但是与经典TRANSP模型计算的结果相比,零维模型的计算结果并不是很准确,因此更准确的同时更快速的计算模型才能满足控制的需求。论文最后讨论了AE研究的热点问题,比如DⅢ-D稳态运行状态下的AE的性质,AE的非线性现象等;还讨论了AE控制系统升级的几点展望,比如用神经网络模型和简化的解析模型实时计算中子产率,与诊断测量的中子产率作对比计算中子损失率,作为升级后的反馈控制系统的第二个受控对象,和DⅢ-D对稳态运行时期的AE的主动控制实验设计,以及中性束能量调制作为新的控制器等。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL631.24;O53

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