EAST托卡马克高约束模式下金属杂质行为研究

发布时间：2020-06-14 15:11

【摘要】：将来聚变采用高参数、稳态和长脉冲运行时,等离子体芯部高Z杂质的聚芯必须要得到有效的控制。高Z金属杂质一旦聚芯就会对等离子体带来十分严重的危害。存在的高Z金属杂质不仅会稀释主离子的浓度,杂质聚芯还会导致大量的等离子体辐射能量损失,严重恶化芯部等离子体约束,并降低聚变反应功率密度,影响高参数、稳态和长脉冲的等离子体运行。高Z金属杂质行为的研究依赖于东方超环(EAST)装置上杂质相关的诊断系统的发展。本文重点介绍了 EAST装置上新发展三套极紫外(EUV)光谱仪(EUV_Long/EUV_Short/EUV_Long2),EUV谱仪可以给出等离子体中杂质高阶电离态辐射信息,是用于芯部高Z杂质输运研究的重要诊断,已经完成了波长和强度标定与谱线识别、二级库建设和数据共享。除此以外,EAST装置上新发展的滤光器(Filterscope)和多道光纤光谱仪(OSMA)可见光谱诊断系统可以用于研究边界的杂质行为,是研究杂质源项信息的重要手段;可见轫致辐射诊断(VB)可以给出等离子体有效电荷数Zeff,用于装置整体杂质水平的评价;辐射量热仪(Bolometer)和软X射线(Soft X-ray)等诊断系统可以给出等离子体中总的杂质辐射水平和分布;而依托这些诊断系统,通过分析研究等离子体中的杂质行为,有助于了解杂质输运的机制,从而找到用于控制杂质聚芯的有效途径,为高参数、长脉冲稳态等离子体运行创造条件。本文对EAST装置中性束(NBI)主导加热高约束模(H模)下的钨(W)杂质行为进行了分析研究。NBI加热总是会引入钨杂质,同时常常观察到钨杂质的聚芯并会严重影响H模的约束性能和参数分布。研究发现:钨杂质的浓度会随着射频波(RF)加热功率和边界局域模(ELM)频率的增大而降低;在有新经典撕裂模(NTM)的H模放电中,钨杂质聚芯程度大大减弱,但是等离子体的约束性能也同时受到限制,而存在边界密度扰动(EDF)的H模放电中,钨杂质浓度和聚芯程度得到了有效的控制并能维持很好的等离子体约束性能;EAST装置上集成型小ELM (ISE) H模作为新的运行模式,可以获得很好的约束性能,同时具备较低的杂质水平和钨杂质约束时间,将是高参数、稳态和长脉冲运行的一种理想模式。分析表明杂质输运与边界安全因子(q95)和总的加热功率密切相关,在高q95和高功率加热时,杂质输运明显增强。并在低q95实验中采用环向模数n=1的共振磁扰动(RMP),在相位差180 °时实现了对钨杂质浓度的有效控制。此外,本文首次在EAST装置上利用自发的瞬态杂质扰动研究了铁(Fe)和铜(Cu)在低杂波(LHW)加热条件下、无锯齿等离子体中的杂质约束特性。文中分别研究了欧姆和LHW加热低约束模(L模)的杂质约束时间对等离子体参数的依赖关系,结果表明LHW可以有效的降低杂质约束时间,并由此给出了符合EAST的杂质约束时间定标:42Ip0.32Bt0.2ne-0.43Ptotal-0.4,比较发现这一定标关系更靠近法国的Tore Supra装置和欧共体的JET装置定标律。分析LHW加热的H模下的杂质约束时间发现在高再循环(HER) H模放电中,在边界存在～25kHz的边界准相干模(ECM),这种放电条件下的杂质约束时间比较低,并伴随着较高的能量约束时间,这将是等离子体高参数、稳态和长脉冲运行的另一种理想模式。
【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】：2017
【分类号】：TL631.24
【图文】：

消费变化,世界能源

热核聚变研究的意义逡逑问题的重要性逡逑人类赖以生存和社会发展的基础和前提，也是长久以来各国经济一直关注的焦点。随着人类社会的进步与发展，人们对加迫切。能源利用总量在不断增长，与此同时能源消费总量的变化（图１．１－１．２）邋［１］。目前，人类的能源结构已经从单一油、天然气等）发展到以化石燃料为主，可再生能源（太阳能、能、生物能等）、核聚变能多种消费结构互补的局面，但是用过程中造成的环境污染问题始终没有得到彻底的解决。近努力应对能源短缺和环境恶化等一系列重大挑战。这些都是康发展所要面对的重大问题。逡逑４０「逡逑－

变化曲线,反应界面,离子,变化曲线

参与反应的轻核必须能够克服原子核之间的库伦斥力才能保证聚变反应的逡逑发生，所以核聚变必须在极高的压强和温度下才有可能发生。这些反应的截面各逡逑不相同，Ｄ邋－邋Ｔ、Ｄ邋－邋３Ｈｅ和Ｄ邋－邋Ｄ的反应截面随Ｄ离子动能的变化曲线如图１．３逡逑所示。从图中可以看出，虽然单位Ｄ－３Ｈｅ反应所释放出来的能量最多，但是在逡逑Ｄ离子能量较低的情况下，它的反应截面远小于Ｄ－Ｄ和Ｄ－Ｔ反应。而Ｄ－Ｔ聚逡逑变的反应截面，在温度１０－１００ＫｅＶ时要比Ｄ－Ｄ聚变反应的截面高两至三个数逡逑量级。逡逑Ｄ是一种天然存在的同位素，并且大量的蕴含在海水中，而自然界没有天然逡逑的Ｔ，这必须借靠人工的方法产生。Ｔ的产生可以借助于快中子和６Ｌｉ和７Ｌｉ的逡逑反应［４］：逡逑？＋６Ｌｉ＾Ｔ＋４Ｈｅ＋４．７９邋ＭｅＶ逦（１．６）逡逑？＋７Ｌｉ－＾ｎ＋Ｔ＋４Ｈｅ－２．４７邋ＭｅＶ逦（１．７）逡逑天然锂中有７．５６邋％的６Ｌｉ和９２．４４邋％的７Ｌｉ。而且快中子与７Ｌｉ发生反应时逡逑还会产生一个中子，因为聚变反应过程中的中子能量十分巨大，扣除消耗掉的一逡逑些能量，新产生的中子依然有足够大的能量和７Ｌｉ再次发生反应，这样一个聚变逡逑中子便可以产生大于一个的氚。因此

【参考文献】