EAST托卡马克边界刮削层丝状结构blob研究与未来反应堆先进位形探索

发布时间：2020-05-26 19:16

【摘要】：长久以来,受控热核聚变以其安全、干净、可以提供几乎无限的能源的优点,受到了极其广泛的关注,是人类一劳永逸地解决能源问题的希望。作为主流受控热核聚变装置的托卡马克,近几十年来得到了长足的发展,获得了许多可喜的成果。但是要最终实现商业化的磁约束核聚变,仍然有很多问题需要解决,比如第一壁靶板热负荷问题,等离子体不稳定性问题,约束性能等等。其中,第一壁靶板热负荷问题与等离子体边界丝状结构blob关系密切。blob在边界径向对流输运中起到了非常重要的作用,其引起的对流输运占整体对流输运的50%左右。因此,研究丝状结构blob的行为,研究其能被何种因素听控制,对于控制等离子体边界对流输运,解决第一壁靶板热负荷问题至关重要。另一方面,不稳定性和约束性能都与托卡马克采用的等离子体位形深切相关,好的位形能大大提高等离子体的约束性能,差的位形不但约束性能很差,还会导致整个等离子体的破裂,给装置带来极大的危害。本文主要可以分成两个部分,分别是在 EAST(Experimental and Advanced Superconducting Tokamak)上的等离子体边界丝状结构blob行为方面的研究工作和在未来反应堆先进位形方面做的探索性工作。我们前后耗时三年,在EAST上搭建了锂束束发射光谱诊断系统,并设计发明了多种手段来提高信号质量。该系统可以提供高时空分辨率的托卡马克等离子体边界密度分布及相应的扰动测量,是研究托卡马克边界物理的一大利器。利用高时空分辨的锂束系统,我们研究了 EAST上的blob行为。我们证实blob理论预言的最稳定长度和EAST实验结果符合的很好。我们研究了 blob的高密度转换现象,发现其密度阈值约为0.5倍Greenwald密度极限。当弦平均密度超过密度阈值时,blob长度,输运通量Γblob和脱靶度都迅速上升并导致了刮削层的展宽和刮削层特征长度λ的增加,导致了刮削层“肩”的形成。由于EAST拥有很强的低杂波辅助加热能力,我们首次发现了低杂波对blob的抑制作用。当低杂波开启时,blob的幅度,长度,输运通量都减少,blob的频率增加。研究发现这可能和低杂波引起的刮削层极向剪切增强和多普勒频移有关。我们在未来反应堆先进位形方面也做了很多工作。在EAST上,我们着重研究了内感这一重要位形参数和低杂波功率占比、密度、等离子体形状参数如拉长比、上三角度、下三角度、磁面间距dRsep之间的关系。首次发现了内感和dRsep之间呈现出很强的负相关。我们提出了两种可能的机制:一是内感和dRsep通过最外闭合磁面的1/Bpa2联系在一起。二是在低杂波加热条件下,等离子体电流分布能被dRsep所影响。这个结果能帮助我们更好的控制内感,有助于实现未来的低内感长脉冲放电实验。在未来反应堆先进位形探索的中美联合实验中,我们利用之前中美联合实验高βp位形(同时实现高q95,高qmin和高βN)的结果,在联合实验中我们通过适当降低q95,改用高非感应电流位形,在qmin2,低扭矩条件下获得了高约束等离子体,H89达到了 3.5,H98,y2达到了 2.1,聚变因子达到了 0.16。我们详细分析了在高约束放电过程中内部输运垒ITB的形成过程和对约束的改善作用。我们还研究了等离子体高约束状态被m=4,n=1的4kHz的MHD模破坏的详细过程。数值模拟结果显示该MHD模可能是电阻交换模或infernal mode。我们还讨论了可能抑制该MHD不稳定性的两种方法。
【图文】：

ｖｄ＾ｖｖｂ邋＋邋ｖｋ＝ＢｘＶＢ＋Ｂｘｋｂ逦（１．７）逡逑其中％代表带电粒子携带的电荷，为带电粒子质量。＆和％为带电粒子垂直和平行磁力线向速度。４为磁场的曲率。另外，由于等离子体中心到等离子体边界的温度分布和密度分布不均R�的，存在温度梯度和密度梯度。温度梯度和密度梯度会带来抗磁性漂移［５］。由于等子体温度密度乘积对应等离子体压强Ｐ，所以其抗磁漂移速度为：逡逑ｖ－邋＝邋一邋（Ｌ８）逡逑根据磁漂移速度＾和抗磁漂移速度Ａｉａ的表达式，，这两者都与粒子电荷符号相关。由于子和离子所带电荷相反，其对应的漂移速度方向是相反的。这导致了在垂直磁场方向上发生荷分离，分离的电荷产生电场。电场会使带电粒子产生电漂移。其表徸式为逡逑（１－９）逡逑可以看到，其方向同时和电场和磁场相垂直。在托卡马克中，电漂移方向是径向向外的。这导致等离子体粒子向外漂移，从而引起等离子体不断损失。逡逑ｔｍａ邋ｃｍ＼＊逡逑（Ｐｒｉｍａｒｙ邋ｉｒｅｍｔｉｏｆｔｒｍ逡�

本文编号：2682290