EAST边界密度和射频波相互作用的实验研究
发布时间：2020-07-29 07:25
【摘要】：射频波电流驱动和加热对于托卡马克的稳态高约束运行至关重要。在驱动等离子体电流或对等离子体进行加热之前,波会先在边界和等离子体相互作用。尤其是用于电流驱动的低杂波对边界的密度要求更为苛刻,它的边界功率耦合和内部电流驱动都与边界的密度及其涨落有关,因此研究射频波与边界密度及涨落之间的相互作用对提高射频波加热和电流驱动能力具有十分重要的意义。全文主要根据低杂波天线探针测量的结果,围绕低杂波、离子回旋波对边界密度行为的影响开展相关的实验研究和模拟分析。主要内容如下:1)首次利用4.6GHz低杂波天线上、下探针研究了不同放电条件下(磁场方向、低杂波功率)天线附近的密度行为,发现了造成低杂波天线端口密度不均匀性和极向不对称性的决定因素。通过分析2.45 GHz和4.6 GHz天线探针数据和可见相机图像,对比两套天线附近密度分布上的异同,并进行了分析和模拟研究。低杂波功率引起的E× B对流效应会影响天线附近密度的输运过程,导致其密度分布的不均匀性和极向分布的不对称性。进一步分析了E × B的极向分量和径向分量、未扰动等离子体电势、中性气体电离等因素对密度分布的影响。模拟发现造成以上密度分布的决定性因素是E × B的径向分量,径向对流方向在波导中心两侧是相反的,导致了偏离波导中心的密度“峰”、“谷”结构。E × B的极向分量和未扰动等离子体电势不会对密度的分布造成决定影响,它只会对E × B径向分量导致的密度分布做出一定修正。考虑中性气体的电离后,天线端口的密度整体增加,上、下探针处的密度随功率的增加或减小的趋势不再对等,使模拟计算的结果更加接近实验测量结果。2)通过对探针离子饱和流、低杂波反射系数进行高阶矩统计、相干分析,研究H模放电对低杂波与等离子体耦合的影响。研究表明密度扰动和反射系数在高阶统计属性上(偏度)存在着反比关系;通过对离子饱和流进行相干分析,发现了不同ELMs形态造成耦合差异的原因:低频、大幅度ELMs的爆发使天线端口密度在单位时间内增加的更多,导致此时低杂波耦合比高频、小幅度ELMs和ELM-free时要好。这些分析为以前实验的统计结果提供了重要依据和数据支持。3)通过对离子回旋波加热时的探针离子饱和流进行高阶矩统计分析、相干分析和功率谱分析,首次对EAST上离子回旋波抑制间歇性爆发事件(“blobs”)进行了研究,确定了两套离子回旋天线抑制“blobs”的阈值功率范围。研究发现与探针有磁链接的I窗口 ICRF天线抑制“blobs”的阈值功率小于0.5 MW,此时密度相对涨落下降达到45%,离子饱和流的几率密度函数(PDF)接近于高斯分布;而与探针没有磁链接的B窗口ICRF天线抑制“blobs”的阈值功率大于1.0MW,在0.5-1.0MW的功率范围内,随功率的增加,密度相对涨落下降11%-30%,离子饱和流的PDF逐渐接近高斯分布。E × 剪切流可能是“blobs”被抑制的原因。
【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】：
源消费结构中的占比逐年下降。到二十世纪中叶，石油取代了煤炭占居首位，人逡逑类社会进入“石油时代”。到１９７９年，一次能源消费结构的份额是：石油占４８％，逡逑天然气占１８％，煤炭占２７％，石油和天然气总和高达６６％邋（图１－１），这是能逡逑源利用的第二次转换。逡逑／ｊ亿美儿（２０１２年美允价值）Ｉ亿吨汕逡逑２２０逦／邋４４逦５0％邋ｈ邋Ｍ逡逑Ｇ７逦４。％逡逑１７０逦／逦３４逦＼逡逑／逦２０％逡逑７０逦Ｊ逦１４逡逑源逦１0％邋水电邋邋逦—＾逡逑２０Ｉ邋丨右轴）４逦０％逦源逦＊逡逑１９６５逦２０００逦２０３５逦１９６５逦２０００逦２０３５逡逑图Ｍ国内生产总值和能源的关系？，世界一次能源的份额。（引自《ＢＰ２０３５世界能源展逡逑望》）逡逑１逡逑
轻核之间的聚变反应必须在热核条件下才能实现。显然，Ｈ和其同位素Ｄ、逡逑Ｔ的带电荷最少，原子核之间的库伦排斥作用力最小；另外，实验上也发现，Ｄ逡逑和Ｔ的反应截面较之其他轻核的反应截面都大（如图１－３）。结合以上两个条件，逡逑Ｄ和Ｔ的聚变反应最容易实现。它们的反应公式为逡逑Ｄ邋＋邋Ｔ邋＾邋ｎ邋（１４．０７ＭｅＶ）邋＋邋４Ｈｅ邋（３．５２ＭｅＶ）逡逑Ｄ邋＋邋Ｄ邋—邋ｎ（２＿４５ＭｅＶ）邋＋邋３Ｈｅ（０．８２ＭｅＶ）邋（５０％）逦（１＿１）逡逑ｐ邋（３．０２ＭｅＶ）邋＋邋Ｔ邋（ｌ．ＯｌＭｅＶ）邋（５０％）逡逑画翻逡逑１０逦Ｘ）２逦Ｋ）３逦１０４逦１逦１０逦１０２逦１０３逡逑Ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅ邋ｅｎｅｒｇｙ邋（ｋｅＶ）逦Ｋｉｎｅｔｉｃ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋（ｋ？Ｖ）逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１－３逦（ａ）聚变反应截面随能量的变化（ｂ）聚变反应的反应率系数随离子温度的变化逡逑如上所述，要实现聚变反应，需要很高的温度，在这种情况下，Ｄ、Ｔ等原逡逑子都将被电离成为等离子体。处于高温下的等离子体的不稳定性，使它只能被约逡逑束一个很短的时间。为了使足够数量的等离子体气体发生自持的聚变反应，对参逡逑与反应的等离子体气体的密度、温度及约束时间三者有一个要求，即自持燃烧条逡逑件。自持燃烧的推导非常简单，可以由等离子体得失能量平衡得出，逡逑５逡逑
线构成的环向等离子体约束系统［５］。它是上世纪５０年代由前苏联库尔恰托夫研逡逑宄所的阿齐莫维齐等人发明的，其英文名字Ｔｏｋａｍａｋ来源于环形（ｔｏｒｏｉｄａｌ）、真空逡逑室（ｋａｍｅｒａ）、磁（ｍａｇｎｅｔ）、线圈（ｋｏｔｕｓｈｋａ）。图１－４是托卡马克基本原理图，其主逡逑要磁场是纵向磁场。纵向磁场是由环绕真空室外面的一系列螺线线圈产生。因为逡逑聚变反应堆中的等离子体的压强很大，约束高压等离子体需要很强的磁场，且受逡逑到工程技术和材料的限制，中心的纵向磁场强度最高可以达到６－８邋Ｔ。另外，简逡逑单的纵向磁场不可能实现对等离子体的有效约束，还需要极向磁场来平衡等离子逡逑体压强。在托卡马克中，主要的极向磁场是由环向的等离子体电流／ｐ产生，这一逡逑６逡逑
【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】：
源消费结构中的占比逐年下降。到二十世纪中叶，石油取代了煤炭占居首位，人逡逑类社会进入“石油时代”。到１９７９年，一次能源消费结构的份额是：石油占４８％，逡逑天然气占１８％，煤炭占２７％，石油和天然气总和高达６６％邋（图１－１），这是能逡逑源利用的第二次转换。逡逑／ｊ亿美儿（２０１２年美允价值）Ｉ亿吨汕逡逑２２０逦／邋４４逦５0％邋ｈ邋Ｍ逡逑Ｇ７逦４。％逡逑１７０逦／逦３４逦＼逡逑／逦２０％逡逑７０逦Ｊ逦１４逡逑源逦１0％邋水电邋邋逦—＾逡逑２０Ｉ邋丨右轴）４逦０％逦源逦＊逡逑１９６５逦２０００逦２０３５逦１９６５逦２０００逦２０３５逡逑图Ｍ国内生产总值和能源的关系？，世界一次能源的份额。（引自《ＢＰ２０３５世界能源展逡逑望》）逡逑１逡逑
轻核之间的聚变反应必须在热核条件下才能实现。显然，Ｈ和其同位素Ｄ、逡逑Ｔ的带电荷最少，原子核之间的库伦排斥作用力最小；另外，实验上也发现，Ｄ逡逑和Ｔ的反应截面较之其他轻核的反应截面都大（如图１－３）。结合以上两个条件，逡逑Ｄ和Ｔ的聚变反应最容易实现。它们的反应公式为逡逑Ｄ邋＋邋Ｔ邋＾邋ｎ邋（１４．０７ＭｅＶ）邋＋邋４Ｈｅ邋（３．５２ＭｅＶ）逡逑Ｄ邋＋邋Ｄ邋—邋ｎ（２＿４５ＭｅＶ）邋＋邋３Ｈｅ（０．８２ＭｅＶ）邋（５０％）逦（１＿１）逡逑ｐ邋（３．０２ＭｅＶ）邋＋邋Ｔ邋（ｌ．ＯｌＭｅＶ）邋（５０％）逡逑画翻逡逑１０逦Ｘ）２逦Ｋ）３逦１０４逦１逦１０逦１０２逦１０３逡逑Ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅ邋ｅｎｅｒｇｙ邋（ｋｅＶ）逦Ｋｉｎｅｔｉｃ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋（ｋ？Ｖ）逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１－３逦（ａ）聚变反应截面随能量的变化（ｂ）聚变反应的反应率系数随离子温度的变化逡逑如上所述，要实现聚变反应，需要很高的温度，在这种情况下，Ｄ、Ｔ等原逡逑子都将被电离成为等离子体。处于高温下的等离子体的不稳定性，使它只能被约逡逑束一个很短的时间。为了使足够数量的等离子体气体发生自持的聚变反应，对参逡逑与反应的等离子体气体的密度、温度及约束时间三者有一个要求，即自持燃烧条逡逑件。自持燃烧的推导非常简单，可以由等离子体得失能量平衡得出，逡逑５逡逑
线构成的环向等离子体约束系统［５］。它是上世纪５０年代由前苏联库尔恰托夫研逡逑宄所的阿齐莫维齐等人发明的，其英文名字Ｔｏｋａｍａｋ来源于环形（ｔｏｒｏｉｄａｌ）、真空逡逑室（ｋａｍｅｒａ）、磁（ｍａｇｎｅｔ）、线圈（ｋｏｔｕｓｈｋａ）。图１－４是托卡马克基本原理图，其主逡逑要磁场是纵向磁场。纵向磁场是由环绕真空室外面的一系列螺线线圈产生。因为逡逑聚变反应堆中的等离子体的压强很大，约束高压等离子体需要很强的磁场，且受逡逑到工程技术和材料的限制，中心的纵向磁场强度最高可以达到６－８邋Ｔ。另外，简逡逑单的纵向磁场不可能实现对等离子体的有效约束，还需要极向磁场来平衡等离子逡逑体压强。在托卡马克中，主要的极向磁场是由环向的等离子体电流／ｐ产生，这一逡逑６逡逑
【参考文献】
相关期刊论文 前5条
1 龚先祖;万宝年;李建刚;钱金平;李二众;刘甫坤;赵燕平;王茂;徐e醵
本文编号：2773625
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