托卡马克等离子体对外加低环向模数磁扰动响应的实验研究
发布时间：2020-06-19 16:38
【摘要】：边界局域模(ELM)控制是ITER及未来磁约束聚变堆安全运行必须解决的一个关键问题。大量实验研究已经证实外加磁扰动能可靠地控制ELM。相比于外加高环向模数(n)磁扰动,低n磁扰动可以由布置于托卡马克真空室外的鞍形线圈产生,在安装、运行与维护等方面比内部线圈更加方便、可靠,更适合应用于聚变堆。但是,将低《磁扰动用于控制ELM时,其低极向模数(m)的共振分量对于芯部磁流体不稳定性的影响较大,可能在芯部形成锁模磁岛,降低等离子体约束性能甚至导致大破裂。研究等离子体对低n磁扰动的响应,对于利用低n磁扰动可靠控制ELM,避免其对芯部磁流体不稳定性的不利影响,补偿误差场等多个方面都具有重要的意义。本论文在J-TEXT和ASDEX Upgrade托卡马克上分别开展了等离子体对外加低环向模数磁扰动响应的实验研究。在J-TEXT无撕裂模的等离子体中,观察到等离子体对外加m/n=2/1的共振磁扰动(RMP)呈现两种不同特征的响应,即屏蔽响应和穿透响应。当外加RMP幅度较小时,等离子体磁响应的相位与RMP相位相反,响应幅度随RMP强度线性增加,反映了共振面对RMP的屏蔽效应。当外加RMP强度超过特定阈值时,磁响应幅度会迅速增加,其相位快速变化到接近与RMP相位同相。这表明等离子体由屏蔽RMP变为放大RMP,RMP穿透共振面,并激发了大的锁模磁岛。在穿透过程中,等离子体环向转动快速变化,锯齿振荡消失,芯部密度和温度大幅下降。统计研究发现了RMP穿透阈值正比于电子密度的0.5次方。当存在2/1锁模时,通过实验、唯象模型和非线性模拟三种途径,全面地研究了等离子体对高频转动2/1 RMP的响应,证实了由转动RMP驱动的锁模相位受迫振荡。在实验中,等离子体磁响应呈现出类似驻波的特征,且驻波的节点位于2/1锁模的O点和X点附近。在2/1锁模内部或O点、X点附近的电子温度响应几乎为零或者为最小值。这些特征和无撕裂模时的屏蔽响应差异极大,暗示其激发机制不同于单纯的屏蔽响应。在唯象模型方面,提出了转动RMP通过给锁模施加周期性电磁力矩而驱动锁模相位振荡。该模型表明驻波型响应主要由锁模相位振荡与等离子体参数的极向梯度共同导致,成功地解释了实验观测到的响应特征。非线性模拟的结果证实了锁模相位的受迫振荡,并且定性地验证了唯象模型所预测的等离子体响应、锁模相位振荡和转动RMP三者在幅度和相位上的相互依赖关系。在ASDEX Upgrade上发现了高约束模等离子体对外加磁扰动存在两个时间尺度的响应。利用外加转动的n = 2磁扰动,观察到等离子体在ELM崩塌间隙的慢尺度磁响应。该响应具有以n= 2为主导的环向结构,且其幅度受外加磁扰动谱结构的影响。在高场侧和低场侧观察到了不同的响应特征,暗示存在多种模数的等离子体响应,且高场侧响应与ELM缓解关系可能更为密切。利用外加n=1磁扰动,还观察到在ELM崩塌过程中的快时间尺度响应,即首次发现了 ELM崩塌激发模结构被外加磁扰动显著影响。在没有外加磁扰动时,ELM激发模结构的相位呈现随机分布。但是,当外加n= 1磁扰动时,ELM激发模结构的相位被锁在某个依赖于外加磁扰动相位的固定值上。此外,还观察到了n= 1磁扰动对ELM崩塌期间边界AXUV辐射环向不对称性的影响。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL631.24
【图文】：
１．２巧卡马克装置逡逑托卡马克是一类利用磁场来约束高温等离子体的环形装置，主要包括真空室和逡逑产生约束磁场的各类磁体线圈。图１－１展示了托卡马克的典型磁体结构和磁场位型。逡逑等离子体由环向磁场公Ｔ和极向磁场公Ｐ合成的螺旋形磁场约束。其中，公Ｔ由环向场逡逑线圈产生，而公Ｐ主要由沿环向的等离子体电流／ｐ产生。在早期托卡马克中，７ｐ是由逡逑欧姆场线圈电流变化所感应的环向电场产生并维持的。如果没有极向磁场，真空室逡逑中的等离子体会因环向磁场的曲率和梯度漂移而发生电荷分离，进而产生竖直方向逡逑的电场。等离子体在该电场与环向磁场的作用下，会通过电漂移而快速损失，使得逡逑单纯的环向磁场约束性能很差。通过／ｐ引入的极向磁场，中和了由磁场曲率和梯度逡逑漂移带来的电荷分离，因而具有很好的约束性能。等离子体电流也有加热等离子体逡逑的作用。此外
离子体边界的一种ＭＨＤ不稳定性。Ｈ模最早发现于德国ＡＳＤＥＸ托卡马克ｔＷ，其最逡逑显著的特征是形成了等离子体边界输运垒，并在边界出现一个有很大压强梯度的区逡逑域，即台基区（ｐｅｄｅｓｔａｌ），如图１－３所示［２２Ｌ邋Ｈ模等离子体的能量约束时间比低约逡逑束模（Ｌ模）提升了约２倍，因而非常有利于发展更加经济的磁约束聚变堆。ＩＴＥＲ逡逑己经把Ｈ模等离子体选为其标准运行方案。但是，当Ｈ模等离子体边界睹峭的压强逡逑梯度及其驱动的台基区自举电流密度超过某个闽值时，会驱动一种ＭＨＤ不稳定性，逡逑即边界局域模（ＥＬＭ）。逡逑在常见的Ｈ模等离子体中，ＥＬＭＳ重复地出现，并导致边界台基区在数百微巧逡逑内崩塌到一个较低的压强梯度态（图１－３黑色虚线）。这种崩塌会将大量的热和粒逡逑子从闭合磁面Ｗ内排出到ＰＦＣ，随后边界台基区缓慢恢复到具有陡峭梯度的状态，逡逑然后激发下一次ＥＬＭ崩塌，如图１－３所示。每个ＥＬＭ会在Ｄａ福射信号上产生一个逡逑脉冲型的增加。Ｄａ信号的X椉颖砻鞅呓缭傺吩黾樱⒖桑妆蛔魑蚰诘牧Ｗ油垮义系牟饬俊＃牛蹋捅浪环矫婊岬贾拢校疲檬艿酱蠓鹊脑萏群土Ｗ痈汉
本文编号：2721062
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL631.24
【图文】：
１．２巧卡马克装置逡逑托卡马克是一类利用磁场来约束高温等离子体的环形装置，主要包括真空室和逡逑产生约束磁场的各类磁体线圈。图１－１展示了托卡马克的典型磁体结构和磁场位型。逡逑等离子体由环向磁场公Ｔ和极向磁场公Ｐ合成的螺旋形磁场约束。其中，公Ｔ由环向场逡逑线圈产生，而公Ｐ主要由沿环向的等离子体电流／ｐ产生。在早期托卡马克中，７ｐ是由逡逑欧姆场线圈电流变化所感应的环向电场产生并维持的。如果没有极向磁场，真空室逡逑中的等离子体会因环向磁场的曲率和梯度漂移而发生电荷分离，进而产生竖直方向逡逑的电场。等离子体在该电场与环向磁场的作用下，会通过电漂移而快速损失，使得逡逑单纯的环向磁场约束性能很差。通过／ｐ引入的极向磁场，中和了由磁场曲率和梯度逡逑漂移带来的电荷分离，因而具有很好的约束性能。等离子体电流也有加热等离子体逡逑的作用。此外
离子体边界的一种ＭＨＤ不稳定性。Ｈ模最早发现于德国ＡＳＤＥＸ托卡马克ｔＷ，其最逡逑显著的特征是形成了等离子体边界输运垒，并在边界出现一个有很大压强梯度的区逡逑域，即台基区（ｐｅｄｅｓｔａｌ），如图１－３所示［２２Ｌ邋Ｈ模等离子体的能量约束时间比低约逡逑束模（Ｌ模）提升了约２倍，因而非常有利于发展更加经济的磁约束聚变堆。ＩＴＥＲ逡逑己经把Ｈ模等离子体选为其标准运行方案。但是，当Ｈ模等离子体边界睹峭的压强逡逑梯度及其驱动的台基区自举电流密度超过某个闽值时，会驱动一种ＭＨＤ不稳定性，逡逑即边界局域模（ＥＬＭ）。逡逑在常见的Ｈ模等离子体中，ＥＬＭＳ重复地出现，并导致边界台基区在数百微巧逡逑内崩塌到一个较低的压强梯度态（图１－３黑色虚线）。这种崩塌会将大量的热和粒逡逑子从闭合磁面Ｗ内排出到ＰＦＣ，随后边界台基区缓慢恢复到具有陡峭梯度的状态，逡逑然后激发下一次ＥＬＭ崩塌，如图１－３所示。每个ＥＬＭ会在Ｄａ福射信号上产生一个逡逑脉冲型的增加。Ｄａ信号的X椉颖砻鞅呓缭傺吩黾樱⒖桑妆蛔魑蚰诘牧Ｗ油垮义系牟饬俊＃牛蹋捅浪环矫婊岬贾拢校疲檬艿酱蠓鹊脑萏群土Ｗ痈汉
本文编号：2721062
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hkxlw/2721062.html
