EAST等离子体粒子输运实验研究

发布时间：2020-07-08 08:26

【摘要】：等离子体粒子约束和输运的研究一直都是磁约束核聚变物理最重要也是最基本的研究课题之一。约束和输运的特性不仅直接影响着等离子体密度,而且与等离子体储能以及总的能量约束时间有比较大的关联。对未来核聚变装置来说,实现聚变产出的最大化必须要获得高密度以及高能量约束时间的等离子体。而研究等离子体约束和输运相关物理的主要目的就是为了在未来聚变反应堆中获得高约束模式的稳态等离子体,并且尝试控制它。托卡马克中的密度一直都是最基本的物理量。为了观察EAST装置中密度变化,已经发展了三道HCN干涉仪以及十一道偏振干涉仪两种弦积分密度测量诊断,其中偏振干涉仪具有较高的时间分辨率,不仅可以用来做密度反馈,而且对于研究相关密度涨落具有非常重要的意义。另外,微波反射计和汤姆逊散射系统能够提供密度的局域测量。这些相关诊断的发展为粒子输运的研究提供了可靠的数据支持。等离子体粒子输运的研究一直都是一个难点。一方面,相对于能量输运,从实验上确定粒子输运的粒子源并不容易。另一方面,粒子平衡方程中还存在一个对流项。从等离子体平衡态中分离出对流和扩散几乎不可能。在EAST上发展了一种使用超声分子束(SMBI)注入扰动密度的方式来测量粒子输运系数。相比于充气,SMBI具有加料效率高、响应时间短等优点。另外,通过弹丸注入可以使密度急剧升高,因而可以利用粒子通量和密度梯度的关系得到粒子输运系数,但这种方法需要特定的实验条件。本论文利用密度调制方法,研究了不同约束模式下的粒子输运系数。欧姆放电中,边界等离子体输运系数比芯部明显大,但在H模与L模中该差别比欧姆放电明显。这里芯部扩散系数Dc=0.2 m~2/s,边界为De=0.8 m~2/s。H模中,芯部扩散系数比较小。对于对流速度来说,这三种情况下的差别相对扩散系数要更明显。首先,边界对流速度比芯部要大很多倍。H模有着很强的向内的对流速度,欧姆放电的对流速度最小。这与H模中边界台基的形成有着密切的联系。共振磁扰动(RMP)引起的密度排出是一种重要的粒子输运现象。密度排出期间,粒子约束变差,甚至会引发H-L转换。利用密度调制获得了H模下密度排出现象前后的粒子输运系数。在粒子源可以被忽略的等离子体芯部,粒子输运系数的变化应与密度梯度尺度倒数的变化一致。在台基区域,RMP加入导致扩散系数的增加,但是向内的对流降低,表明了更多的粒子通过分界面而损失掉。而通过对比新经典输运系数发现,调制所得的输运系数要大一两个量级,说明反常输运在RMP导致的密度排出中起主要作用。RMP加入后,边界径向电场的势阱减小,相应的ExB剪切率在ρ=0.97的位置降低。通过分析边界密度涨落发现,在RMP加入期间,等离子体密度涨落明显增加,这与剪切率降低的位置一致,表明密度排出现象与湍流输运的增加相关。通过分析EAST近年来的运行图,观察到超过Greenwald密度极限运行的放电。而这些放电大都伴随MARFE的产生。欧姆条件下接近密度极限的放电中通常会出现比较强的磁扰动,同时偏振干涉仪(POINT)所测密度涨落也增加。这些现象在H模下超密度极限的放电中也有出现,伴随有偏滤器脱靶现象的产生。而在辐射较强的MARFE条件下,由于密度梯度的增加,电磁波在其中会发生大角度的折射,可能会导致干涉仪信号的丢失。
【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
【图文】：

示意图,磁约束聚变,托卡马克装置,托卡马克

图１．１托卡马克装置示意图逡逑托卡马克是由苏联科学家发明的一种环形磁约束聚变装置，利用外部线圈产逡逑生的磁场以及等离子体电流产生的磁场结合形成螺旋状的磁力线将等离子体约逡逑束在装置内部，通过外部辅助加热以及各种加料手段使等离子体参数提高从而发逡逑生聚变反应。高密度、高温度以及高能量约束时间是目前磁约束核聚变追求的目逡逑标。逡逑１．２等离子体粒子输运研究意义逡逑核聚变输出功率Ｐ与氘离子取和氚离子》，的积成正比％逡逑ＰＴ？邋＝邋”ｃｌｎ？逦（１－３）逡逑〈ｏｖ〉：ＤＴ核聚变反应的反应截面；单一核聚变反应的输出能量。逡逑等离子体密度《＝？＃？，，故上式可写为：逡逑户７（卜？）〈ＯＴ〉ｆ逦（１－４）逡逑当《尸０．５／７，８卩当氘元素和氚元素的密度相等＾？，时，如下式，此时产量最大逡逑

粒子约束时间

逡逑出现如图１．２所示的完全的切断粒子供给，但是在周边部分却是很难做到这一点。逡逑＇逦！＝１邋￣￣ｓ逡逑ｍ邋ｊ逦粒子约束时间＾邋Ｕ—逡逑０逦Ｖ逦邋ｉ逡逑＾逦切断粒子供给时间＼邋＼逡逑Ｉ逦！邋＼逡逑罐邋Ｎ邋Ｊｅ逡逑逦Ｉ逦Ｉ逦逡逑０逦１２逦３逦４逡逑ｔ逡逑图１．２粒子约束时间定义逡逑为了控制密度，可以利用充气，或者是弹丸注入等手段（射入冷冻后的氢、逡逑氘固态燃料）。简单来考虑，如停止外部粒子的供应，密度在约束时间内下降这逡逑一情况并不一定会出现。这是由于包围等离子体的真空容器的壁材料具有吸附气逡逑体的性质。从等离子体到等离子体的边界以外被输运的粒子束会重组，变成中性逡逑原子的气体（氢等离子体是氢原子的气体）。中性原子的气体被容器壁吸附的同逡逑时，由于与等离子体周边部分相互作用，被吸附的气体再次进入等离子体中。这逡逑个作用被称作再循环作用。由于再循环作用，供给燃料时必须考虑到这一点，（１．６）逡逑式实际上应为再循环作用部分加上包含燃料供给在内的粒子供给效率Ｓ邋（称为粒逡逑子源项）。包含Ｓ项的等式如下：逡逑－邋＝邋－—邋＋邋Ｓ逦（１．８）逡逑ｄｔ邋Ｔｐ逡逑下面我们根据（１．８）式来定义考虑到粒子供给的约束时间。粒子的供给效率逡逑为，从真空容器外部入射的气体以及壁再循环作用，中性粒子束加热的情况下，逡逑还需包含中性粒子束的粒子源。不考虑粒子供给，再看（１．６）式，粒子约束时间＜逡逑为实际的粒子约束时间。定义再循环率为：逡逑Ｒ邋＝邋＼－＾￣逦（１．９）逡逑再循环强的情况下

空间分布,磁轴,密度,等离子体

要清洗由于直流放电吸附在容器壁上的氦和氢。也可涂上Ｂｅ，邋Ｂ，Ｌｉ、Ｔｉ逡逑等组成的涂料。在ＥＡＳＴ托卡马克装置上，通常在实验前进行锂化以降低再循环。逡逑图１．３显示了在ＣＨＳ装置中的再循环率的测量结果。＜为从充气停止后的密度逡逑时间变化情况得出的评价，＆为根据极向方向和环形方向设置的多通道探测器以逡逑及真空容器内的粒子源的非对称性得出的结果，根据（１．８）式作出的分析。再循环逡逑率可以从等离子体脱栏后偏滤器位形变化得知。逡逑？０３８邋—。。邋▲邋＞逡逑：逦＊４邋＾邋Ａ逦：邋▲逦Ｘ逡逑＊邋０．９６邋－邋Ｘ．邋0．逦＃逦．逡逑：逦▲办逦ｘ逡逑▲逡逑０．９４邋－逦．逡逑Ｖ邋？逦？邋８８．８邋＇逡逑；逦ｘ逦▲逦９４．９逦：逡逑０．９２邋－逦ｘ邋Ｈ邋＊邋＇逡逑＇Ｇｃｍ：ｃｎｔｒ，逦0邋１０１．６邋］逡逑逦逦逦逦逦逦逦逡逑０１逦２３４５６７８逡逑ｎ0邋（１0ｌ３ｃｍ＇３＞逡逑图１．３在ＣＨＳ装置中，再循环率与密度以及磁轴位置的关系。Ｒａｘ邋＝８８．８，邋９４．９，邋９７．４ｃｍ逡逑为限制器位形。ＲａＸ＝９９．５，１０１．６ｃｍ为脱栏后的偏滤器位形【７］。逡逑式中的密度Ｎ为等离子体的平均密度。从大概的密度，我们可以逡逑粗略地讨论宏观的约束情况。关于粒子输运的详细的讨论，必须考虑等离子体的逡逑空间分布。因此

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