EAST钨偏滤器探针诊断系统研制及靶板热流粒子流实验研究

发布时间：2020-06-13 12:02

【摘要】：EAST全超导托卡马克装置在国际上首次成功安装了ITER-like全钨上偏滤器,并且准备将下偏滤器也升级为全钨偏滤器结构,为EAST高参数长脉冲放电实验研究提供了重要的支持。本论文工作主要基于EAST钨偏滤器,对钨偏滤器探针诊断系统进行了研制,并开展了钨偏滤器H-mode高密度脱靶及靶板粒子流控制实验研究。首先,对EAST钨偏滤器结构进行了分析,结合偏滤器探针测量理论,设计出适用于EAST钨偏滤器结构的探针诊断系统,并对信号传输系统中的陶瓷接线端子和信号线转接柜进行了设计;而作为最关键部件的偏滤器探针系统,本文针对钨铜串管(W/Cu Monoblock)和钨贴片(W flat-tile)两种偏滤器靶板结构,分别设计了两类偏滤器探针结构,以及其在EAST钨偏滤器上安装的极向和环向分布;对这两类探针分别设置三种不同形状探针头,即球面探针、屋顶形探针和齐平探针,利用ANSYS有限元软件进行了热力学分析和对比,结果表明,只有齐平探针能够应用于未来超过10 MW/m2的偏滤器靶板稳态热流,且W flat-tile结构靶板具有更好的散热性能。以matlab软件为平台,设计并开发出一套拥有可视化交互界面的EAST偏滤器探针诊断系统数据处理软件,大大提高了EAST偏滤器探针诊断数据分析和数据信息挖掘的效率。利用EAST偏滤器探针开展相关测量实验研究,分析并对比了不同探针测量方式在EAST上的测量结果,确定了单探针、双探针、三探针以及齐平探针在EAST上测量偏滤器靶板等离子体参数的方法及条件。然后,对EAST钨偏滤器H-mode高密度脱靶特性进行了研究,在上单零(USN)反场(B ×Δ7B↑)、纯中性束注入(NBI)加热放电条件下,首次实现了钨偏滤器H-mode高密度脱靶,通过分析发现,随着等离子体密度的升高,靶板电子温度逐渐降低,偏滤器等离子体进入脱靶状态,同时靶板粒子流出现翻转;而且随着密度的进一步升高脱靶现象会从打击点附近位置沿着靶板向远刮削层区扩展。研究了不同辅助加热功率大小和类型对USN反场(B ×ΔB↑)H-mode高密度脱靶密度阈值的影响规律,发现随着总加热功率的升高,脱靶密度阈值也升高,特别在电子回旋(ECRH)和低杂波(LHW)加热条件下。研究了不同纵场方向对H-mode高密度脱靶的影响规律,发现在EAST装置上USN反场(B× ΔB↑)放电条件下,内靶板等离子体更加容易进入脱靶状态,而外靶板却需要较高的密度才能进入脱靶状态,但是在USN顺场(B ×Δ7 ↓)条件下,内外靶板的脱靶密度阈值不对称性降低;而且在USN顺场(B× ΔB↓)条件下,外靶板等离子体进入脱靶状态后,其粒子通量升至最大值后趋于稳定,并未随等离子体密度的升高而发生翻转;利用偏滤器区的电场漂移理论模型对纵场方向影响内外偏滤器等离子体脱靶阈值的实验现象进行了解释,为进一步开展控制靶板热流粒子流方法研究提供了数据支持和理论基础。最后,探讨了偏滤器靶板粒子流控制机制,依托EAST装置钨偏滤器H-mode放电,在USN反场(B × ΔB↑)等离子体放电条件下,以增加工作气体和杂质充气两种方式,初步开展了偏滤器靶板稳态粒子流控制实验;首次成功实现了对等离子体密度的控制进而降低并维持偏滤器靶板粒子流的物理实验;同时,通过分析EAST装置上杂质充气的控制参数,确定以Ne杂质气体为辐射源,以靶板离子饱和流密度作为控制参考信号开展了偏滤器靶板粒子流控制实验研究,并研究了总辐射功率对靶板粒子流控制的影响规律,认为总辐射功率水平和脱靶状态的稳定控制对实现高性能长时间尺度放电条件下靶板热流粒子流的降低和维持都是至关重要的,为未来高参数长脉冲放电条件下稳态热流粒子流控制提供了重要参考。
【图文】：

线圈（ｋａｔｕｓｈｋａ）几个词的首字母组合而成，通常也可以称之为环流器，从Ｔｏｋａｍａｋ逡逑这一单词的构词中就可以看出其主要的结构组成。经过将近７０年的发展，托卡逡逑马克装置结构进行了不断地发展和优化，如图１．２所示，现在主流的托卡马克装逡逑２逡逑

巴邋ｉｏｉｏ１逦ｉｏ５逦ｉｏ１逡逑ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋［ｂｉｌｌｉｏｎ邋Ｋｅｌｖｉｎ］逡逑图１．１三种轻核聚变的反应截面丨１，２丨逡逑１．２托卡马克装置与偏滤器逡逑托卡马克的基本原理是１９５１年由原苏联科学家Ｉ．邋Ｅ．邋Ｔａｍｍ和Ａ．邋Ｄ．邋Ｓａｋｈａｒｏｖ逡逑提出的，Ｔｏｋａｍａｋ这一单词是由俄语中环形（ｔｏｒｏｉｄ）、腔体（ｋａｍｅｒａ）、磁场（ｍａｇｎｉｔ）、逡逑线圈（ｋａｔｕｓｈｋａ）几个词的首字母组合而成，通常也可以称之为环流器，从Ｔｏｋａｍａｋ逡逑这一单词的构词中就可以看出其主要的结构组成。经过将近７０年的发展，托卡逡逑马克装置结构进行了不断地发展和优化，如图１．２所示，，现在主流的托卡马克装逡逑２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】：TL631.24

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本文编号：2711148