J-TEXT托卡马克弯晶谱仪系统研制和等离子体本征转动实验研究

发布时间：2020-07-01 16:39

【摘要】：托卡马克,作为一种磁约束可控核聚变装置,等离子体需要满足聚变三重积才能实现自持燃烧,为人类所利用。由于托卡马克自身存在多种宏观磁流体不稳定性或者微观湍流不稳定性,极大地限制了等离子体的约束性能,甚至可能诱发等离子体大破裂危害装置安全。在等离子体发展从低约束L模放电到高约束H模转变时,研究发现等离子体转动及其剪切可以有效地抑制这些宏观和微观不稳定性的发展,维持内部输运垒,改善约束性能。转动速度的这种特性激发了我们对转动监测手段以及输运特性的研究。 在目前托卡马克装置上,转动速度主要来自于外部切向中性束注入所提供的动量输入。中性束与带电粒子碰撞发生电荷交换形成高能离子,通过库伦碰撞将动量传给等离子体。然而对于ITER装置,由于要驱动大体积高密度的等离子体中性束注入效率甚低,其能达到的功率有限而不能满足ITER的需求。我们只能依靠没有任何外部动量输入时的等离子体本征转动速度,无论是在纯欧姆加热还是在有波辅助加热时,实验上都发现等离子体能自发地旋转。转动的输运同粒子和热输运一样,是反常的,本征转动的大小、方向及其输运特性与多种等离子体参数都存在密切的联系。经过十多年的研究,实验和理论上对转动速度的认识依然未达成共识,即使是最根本的欧姆等离子体的转动速度。本文利用J-TEXT托卡马克较简单的等离子体来研究本征转动。 为了研究本征转动速度,在J-TEXT装置上研发一套切向弯晶谱仪系统来测量芯部环向转动速度。通过主动注入微量氩气的方式,弯晶谱仪测量被动类氦氩离子的光谱,有利于本征转动的研究。球面弯晶的二维聚焦特性,实现了对等离子体的空间分辨测量。在J-TEXT欧姆等离子体下的测量由于光通量低的特性,以及实验高时间分辨的需求,弯晶谱仪采用一系列优化设计和折中考虑,获得最高时间分辨为2ms的测量结果。弯晶谱仪系统测量的空间分辨和时间分辨的电子温度和离子温度对电子密度的关系,不仅显示了弯晶谱仪的高测量精度和测量准确度。 基于成熟的转动理论,创新地对弯晶谱仪测量转动速度的方向和大小依次进行标定,然后结合边界可见光光栅光谱仪测量边界环向转动,首次给出J-TEXT欧姆等离子体本征转动速度剖面。基于此,研究外加螺旋场作用下等离子体转动的输运特性。实验发现,螺旋场的共振分量起主要作用,螺旋场穿透锁模发生在q=2有理面,穿透之后由于模式耦合产生的电磁力使边界和中心的转动速度几乎同时朝电流方向加速,并在能量约束时间尺度10ms达到新的平衡,转动输运速率远大于反常输运。模式2/1和1/1之间的耦合作用在速度剖面演化中起到关键作用,另外与其它装置上的结果不同的是穿透锁模后转动剖面不为零,而且依然存在梯度。直接利用放电中撕裂模频率较宽的分布,外加螺旋场对撕裂模的作用表现出完全抑制、不完全抑制、锁模和非均匀振荡四种不同的响应。锁模与完全抑制存在明显的5kHz频率界限,锁模阈值和抑制阈值都与撕裂模频率有直接的联系。数值模拟研究与实验结果吻合,更清晰的理解了转动在撕裂模演化中的作用机制。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TL631.24

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 王志,朱学武;亚洲托卡马克超导磁体研究新进展[J];低温与超导;2002年01期

2 邓梅根,冯开明;球形托卡马克堆嬗变中子学计算的比较研究[J];核聚变与等离子体物理;2003年01期

3 石秉仁;环径比接近2的托卡马克堆芯等离子体特征[J];核聚变与等离子体物理;2003年03期

4 曹建勇,丁玄同,罗萃文;托卡马克实验数据的可视化时序处理软件开发[J];核聚变与等离子体物理;2004年01期

5 程发银;;托卡马克垂直场线圈磁场及电感系数的计算[J];重庆工商大学学报(自然科学版);2007年06期

6 张海花;罗家融;舒双宝;陈龙溪;王华忠;;基于等磁通面反演托卡马克电子密度空间分布[J];核电子学与探测技术;2008年05期

7 李学伟;;苏联《科学与生活》介绍托卡马克-7的超导电磁系统[J];国外核新闻;1980年15期

8 胡思明,秦品健,范叔平,季幼章;托卡马克中的电磁兼容设计[J];核聚变与等离子体物理;1992年02期

9 李芳著，高庆弟，张锦华，徐文斌;托卡马克垂直不稳定性控制[J];核聚变与等离子体物理;1995年03期

10 沈学民;托卡马克等离子体非全吸收离子忯旋波的耦合计算[J];物理学报;1995年04期

相关会议论文 前10条

1 方应翠;;质谱分析技术在托卡马克中的应用[A];中国真空学会质谱与检漏专委会第十一届年会、中国计量测试学会真空校准专委会第六届年会论文摘要集[C];2002年

2 李莉;刘悦;刘畅;许欣洋;夏新念;年四洪;刘超;崔少燕;郑殊;;托卡马克中平衡电流剖面对磁流体不稳定性的影响[A];第十五届全国等离子体科学技术会议会议摘要集[C];2011年

3 徐静怡;袁振圣;武文晶;陈振茂;;托卡马克典型结构耦合动态分析方法研究[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

4 姜巍;彭燕丽;胡希伟;庄革;;纯欧姆加热的托卡马克启动过程的数值模拟研究[A];第十六届全国等离子体科学技术会议暨第一届全国等离子体医学研讨会会议摘要集[C];2013年

5 王晓钢;王先驱;王嘉琦;;托卡马克等离子体磁流体模式的边界条件[A];第十五届全国等离子体科学技术会议会议摘要集[C];2011年

6 吴斌;张澄;;托卡马克放电过程的计算机模拟[A];全国第十四届计算机科学及其在仪器仪表中的应用学术交流会论文集[C];2001年

7 张国平;胡立群;张先梅;黄娟;刘瑾;;诊断中性束在合肥托卡马克等离子体中的衰减计算[A];2006全国荷电粒子源、粒子束学术会议论文集[C];2006年

8 徐欣亮;陈少永;王中天;唐昌建;;托卡马克中考虑二阶回旋半径近似条件下的带电粒子轨道[A];第十五届全国等离子体科学技术会议会议摘要集[C];2011年

9 梁立振;胡纯栋;;磁约束核聚变与托卡马克等离子体加热[A];安徽新能源技术创新与产业发展博士科技论坛论文集[C];2010年

10 丁玄同;HL-2A实验团队;;HL-2A物理实验的最新进展[A];第十五届全国等离子体科学技术会议会议摘要集[C];2011年

相关重要报纸文章 前10条

1 本报记者 陈敬农 通讯员 程艳;“东方”托卡马克闪耀创新亮点[N];科技日报;2006年

2 本报驻华盛顿记者 张孟军;此时球形胜环形[N];科技日报;2002年

3 本报记者 高博;可控核聚变装置,中国领先世界[N];科技日报;2012年

4 黄振中;“托卡马克”路漫漫[N];科技日报;2002年

5 本报驻美国记者 毛黎;受控自持续核聚变或现新曙光[N];科技日报;2012年

6 记者 邰举;韩超导装置首次实现高能量模式[N];科技日报;2010年

7 本报记者 华凌;这里树绿草正青[N];科技日报;2005年

8 记者　 吴涛 王晖军;扬州导线点亮中国“人造太阳”[N];扬州日报;2006年

9 本报记者 陈瑜;愈走愈近的“人造太阳”[N];科技日报;2011年

10 通讯员 陈沉;人造太阳再创放电新纪录[N];中国电力报;2008年

相关博士学位论文 前9条

1 兰涛;托卡马克边缘等离子体中测地声模带状流的实验研究[D];中国科学技术大学;2008年

2 刘阿棣;托卡马克边缘等离子体中低频带状流的实验研究[D];中国科学技术大学;2009年

3 丁永华;J-TEXT托卡马克主机安装及磁测量系统的建立[D];华中科技大学;2009年

4 张静;J-TEXT托卡马克欧姆放电条件下热辐射功率的测量与分析[D];华中科技大学;2012年

5 曾龙;SUNIST球形托卡马克磁流体力学平衡反演和不稳定性研究[D];清华大学;2010年

6 朱孟周;J-TEXT托卡马克边缘静电涨落和湍动输运的实验研究[D];华中科技大学;2011年

7 杨建荣;磁化等离子体中的非线性静电波[D];上海交通大学;2012年

8 金伟;J-TEXT托卡马克弯晶谱仪系统研制和等离子体本征转动实验研究[D];华中科技大学;2014年

9 冯先德;J-TEXT托卡马克低模数磁流体不稳定性实验研究[D];华中科技大学;2013年

相关硕士学位论文 前10条

1 张海花;托卡马克中密度空间分布反演研究[D];东华大学;2008年

2 刘君;中国联合球形托卡马克磁涨落测量与分析[D];清华大学;2008年

3 刘畅;平衡电流对托卡马克非理想磁流体模式的影响[D];大连理工大学;2011年

4 陈洁;托卡马克边界电荷分离产生边界电场的计算机数值研究[D];汕头大学;2004年

5 王桂花;固定边界托卡马克中等离子体平衡方程的求解[D];南华大学;2010年

6 罗正平;托卡马克中等离子体平衡计算[D];合肥工业大学;2007年

7 吴奇伟;高速CCD诊断技术在MHD不稳定性研究中的应用[D];东华大学;2012年

8 王艳辉;托卡马克等离子体中快电子径向扩散对低杂波驱动电流影响的研究[D];华东理工大学;2013年

9 李攀;电漂移对托卡马克中高能粒子轨道的影响[D];南华大学;2013年

10 汪旭峰;托卡马克中性束发射光谱分析软件设计[D];电子科技大学;2013年

本文编号：2737017