三维磁拓扑结构条件下W7-X刮削层特性研究

发布时间：2020-04-24 17:02

【摘要】：仿星器和托卡马克是磁约束聚变的两种主要装置,而目前世界上最先进的仿星器当属德国的Wendelstein 7-X(W7-X)。与之前的传统仿星器相比,W7-X有着更加优化的磁场位形,不仅能够更好的在聚变参数下约束阿尔法粒子,还能有效的控制由于螺旋场波纹度引起的新经典输运。托卡马克中,通常使用极向偏滤器来进行排杂和排热。W7-X通过在边界产生一个环向模数n=5的磁岛链,用磁岛偏滤器来代替托卡马克上常用的的极向偏滤器进行排杂和排热。由于磁岛内的磁力线连接长度远大于托卡马克刮削层内的磁力线连接长度,相比托卡马克而言有着更长的刮削层宽度(热流衰减长度),因此磁岛偏滤器位形在排热方面具有天然的优势。作为刮削层特征参数之一的热流衰减长度,直接影响了偏滤器靶板上湿区面积的大小。研究磁岛偏滤器位形下的刮削层特性,对了解磁岛偏滤器性能,评估磁岛偏滤器运行区间都大有裨益。W7-X上安装了一个多功能操作臂作为探针的运载系统,能够穿过边界磁岛将探针打入等离子体内部,从而对刮削层和边界区域的物理参数,如电子密度剖面,温度剖面,等离子体流速剖面和湍流特性等进行测量。本论文中,详细介绍了 W7-X上多通道马赫探针系统的研制以及搭建过程。马赫探针是用来测量等离子体中离子饱和流的定向静电探针,工作原理是利用上流和下流测得的离子饱和流的不对称性来计算等离子体的流速。使用多通道马赫探针系统,首次同时测得了W7-X上垂直和平行方向的等离子体流速。并且借助马赫探针系统上的径向阵列,观测到了一支主频率在1kHz左右,以200m/s的径向速度向外传播的低频模式,使用W7-X上的复合探针系统上的四探针,本文还研究了不同位形和放电参数下,三维磁拓扑结构对刮削层内电子温度剖面,电子密度剖面和刮削层特征宽度的影响。研究结果发现,热流衰减长度与刮削层内的磁力线的连接长度正相关。刮削层内磁力线连接长度大于250米的低iota位形和标准位形下的衰减长度,明显要大于刮削层内磁力线连接长度小于100米的高iota位形和限制器位形下的衰减长度。其中,标准位形下的热流衰减长度由于受到磁岛抚平作用的影响,相比于低iota位形也得到了相应的延长。论文的最后,对仿星器和托卡马克上的边界局域模的理论模型进行了一个简要的介绍。其中,托卡马克上的边界局域模通常用气球-剥离模型来描述,而仿星器上的边界局域模通常认为是由于内交换模触发的不稳定性。针对托卡马克上的边界局域模,本文使用了电流弛豫模型对EAST上的边界局域模的频率分布进行了预测。研究结果发现,在边界电流密度比较大的情形下,ELM的频率分布会趋于一个单峰的分布;而在边界电流密度比较小的情况下,ELM的频率分布更趋向多峰的分布。
【图文】：

一，子位形，保证等离子体既可以长时间的沿磁力线运动，又要减弱各种由于碰撞产生的垂直磁面的径向输运。根据外部磁场的产生方式，磁约束核又分为两种类型：托卡马克和仿星器。两者的最大区别就是托卡马克的，主要是由外部线圈产生的磁场叠加自身电流产生的磁场；而仿星器的则全部由外部线圈产生。逡逑１托卡马克和丨ＴＥＲ逡逑托卡马克是目前世界主流的磁约束聚变装置类型之一，也是国际热核聚应堆（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｔｈｅｒｍｏｎｕｃｌｅａｒ邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋Ｒｅａｃｔｏｒ：邋ＩＴＥＲ）邋［７］采用聚变类型。Ｔｏｋａｍａｋ—词，来源于俄罗斯语，本意是有着磁线圈的环形托卡马克的主要磁场位形，主要由环向磁场和极向磁场构成。其中，环组平面线圈提供，可以产生数特斯拉量级的环向磁场。对于圆截面的托主要由环线圈提供，对于非圆截面的托卡马克，，则有矩形线圈或者Ｄ形提供。逡逑

早的几个仿星器装置由普林斯顿等离子体研究所建造，其中最大的仿ａｒａｔｏｒ也由于磁场线圈加工的不精确而失败，最后改造成了托卡马克装示了，仿星器线圈的设计及加工的过大难度严重阻碍了仿星器的发展。卡马克相比，仿星器的约束性能也不容乐观，因此在竞争中逐渐落入下世纪７０－８０年代沉寂了一段时间。逡逑Ｖａｃｕｕｍ邋ｔｕｔ＞ｅ逦Ｈｅｌｌｃａｔ邋ｗｉｎｄｉｎｇｓ逡逑
【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

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本文编号：2639177