EAST长脉冲高约束模式放电的粒子再循环及杂质行为研究

发布时间：2020-07-04 06:32

【摘要】：未来聚变堆(如ITER、CFETR)运行目标是实现高功率长脉冲稳态等离子体,实现该目标的必要条件之一是能够有效的控制边界再循环及杂质粒子。EAST装置拥有与ITER类似的全超导非圆截面结构,其主要科学目标是发展和验证未来聚变堆长脉冲稳态先进运行模式及研究相关的物理和工程问题。对粒子再循环及杂质行为的物理理解及有效控制是实现EAST金属壁条件下高性能长脉冲稳态运行的关键。本论文依托EAST托卡马克实验平台,发展了边界可见光谱诊断和快离子损失诊断,开展了系列相关实验研究,有助于深入理解粒子再循环及杂质行为,有利于探索粒子再循环及杂质的有效控制方法,为获得EAST高参数长脉冲稳态运行提供参考和可用的方法。边界可见光谱诊断能为长脉冲粒子再循环及杂质行为研究提供重要的数据支持。另外,EAST高功率运行条件下存在部分损失高能粒子,会导致更强的再循环及杂质行为。因此,EAST装置上建立和发展了边界可见光谱诊断系统和快离子损失诊断系统。测量Dα(Hα)线型得到氢氘比进而研究边界粒子再循环过程;测量氘原子高n态巴尔末系特征谱线(Dβ,Dγ,Dδ等)及可见波段的杂质特征谱线,研究中高密度运行条件下的原子分子过程、再循环及杂质行为。快离子损失诊断的高速相机测量损失快离子的回旋半和pitch角,高采样率PMT分析损失快离子相关不稳定性。利用这些诊断,对EAST放电,特别是长脉冲放点开展研究。EAST长脉冲高约束稳态等离子体放电探索中发现,石墨壁材料、锂化壁处理、优化等离子体位形、提高三角形变、优化打击点、内置低温泵、偏滤器脱靶态等能有效降低边界再循环及杂质源的产生。石墨偏滤器具有较低的有效电荷数和杂质辐射,再循环及杂质较低。锂化壁处理,锂对碳、氧、氢杂质有极强的吸附效果,显著降低了边界再循环的加料效果以及杂质含量,提高了等离子体品质。采用交替上、下单零位形,可以将偏滤器靶板上的热负荷有效分摊到上下两个偏滤器靶板,从而降低等离子体与壁累积相互作用导致的器壁损伤;优化打击点能使偏滤器内置低温泵的抽气能力达到最大,增强粒子排出并降低粒子的再循环过程;中高密度等离子体放电中,偏滤器进入半脱靶甚至脱靶态,等离子体与壁几乎没有直接相互作用,极大的降低了粒子对第一壁的损伤以及杂质的产生。在这些优化条件下,EAST获得了百秒量级的高电子温度放电和高约束放电。钨偏滤器位形放电条件下,芯部钨杂质累积,会产生大量的辐射,即降低了等离子体约束性能,又增加了壁的热负荷进而增强了再循环行为,降低了等离子体品质,削弱了对等离子体的控制,限制了稳态长脉冲H模的实现。因此有效的控制芯部钨杂质水平既要有效的控制边界钨杂质源,又要有效的控制芯部钨杂质聚芯效应。EAST装置上的芯部回旋加热能有效的控制芯部钨杂质累积过程。芯部电子回旋加热主要对电子有加热效果,提高了芯部电子温度,使得芯部等离子体密度变得平滑,增强了芯部反常输运过程,进而降低了高Z杂质的向内漂移。EAST装置通过锂化壁处理、优化等离子体参数等方式有效降低边界再循环及杂质源产生以及芯部电子回旋加热抑制芯部高Z杂质含量,获得了102 s的长脉冲H模放电。基于可见光谱诊断及其他诊断,理解了EAST上粒子再循环及杂质行为特征,并探索了有效控制粒子再循环及杂质的方法。面对未来ITER和CFETR的高功率稳态运行,困难和挑战更大,还需要探索更多更有效的控制损失高能粒子、粒子再循环及杂质的方式和方法。
【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
【图文】：

托卡马克装置,主要结构,量级,真空室

Ｔｏｋａｍａｋ邋音译于俄语的邋ＴＯＫａＭａＫ，由邋ｔｏｒｏｉｄａｌ＇ｎａｙａ邋ｋａｍｅｒａ邋ｓ邋ｍａｇｎｉｔｎｙｍｉ逡逑ｋａｔｕｓｈｋａｍ画个俄语单词缩写而来，含义是“带有磁场线圈的环形真空容器”。托逡逑卡马克装置主要由磁场系统和真空系统两部分构成，主要结构如图１．２所示。磁场逡逑系统主要包括纵场线圈、加热场变压器、极向场线圈、平衡场线圈、储能设备以逡逑及成形场线圈。纵场线圈产生环向纵场，约束主等离子体。加热场变压器为铁芯逡逑变压器或空芯变压器，在等离子体中产生感应电流。极向场线圈位于真空室外部，逡逑产生垂直于赤道面的垂直平衡场，与等离子体电流产生的极向磁场相结合，克服逡逑带电粒子的向外漂移，维持等离子体的平衡。托卡马克的真空系统包括真空室和逡逑真空泵机组。真空室通常由不锈钢制成，采用高抽速的涡轮分子泵将真空室抽成逡逑ｌ0－８ｔｏｒｒ以上的超高真空，在放电前充入工作气体。此外，托卡马克还有供电系统、逡逑加热系统和诊断系统等附属设备。逡逑Ｏｈｍｉｃ邋ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ逡逑ＣＵ７邋／Ｃ0ｉ＇Ｓ逡逑Ｖｅｒｔｉｃａｌ邋ｆｉｅｌｄ邋ｃｏｉｌｓ逡逑Ｔ。—｝逦｜；逡逑—逡逑Ｔｏｒｏｉｄａｌ邋ｆｉｅｌｄ邋ｃｏｉｌｓ逦，逡逑Ｔｏｔａｌ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｆｉｅｌｄ邋ｌｉｎｅ逦Ｐｌａｓｍａ逡逑图１．２托卡马克装置的主要结构结构Ｗ逡逑在半个多世纪的发展中

离子动力学,托卡马克,芯部,受控热核聚变

第１章绪论ＡＳＤＥＸ装置上发现了高约束模式，即Ｈ模，能量约束时间与Ｌ模相比提在这些大量研宄成果的基础上，各国开始建造第三代托卡马克装置，置有美国的ＴＦＴＲ、日本的ＨＴ－６０、欧洲共同体的ＪＥＴ等，取得了创纪录的果。１９９１年１１月９日，英国牛津郡卡勒姆实验室的联合欧洲环（ＪＥＴ）使用合物首次成功实现了聚变功率２兆瓦、持续２秒的受控热核聚变反应试验［９１．４，这一突破性进展是人类利用聚变能的一个重要里程碑。后期的氘氚核应试验达到了邋１６邋ＭＷ的最大瞬时聚变功率和４邋ＭＷ的稳态聚变功率［１０］。逡逑ｌｌｌｇｈ邋ｅ？ｒｒｇ＞逡逑ｍｕｔｔｉｐｌｌｒａｔｌｏｎ逡逑

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