EAST边界台基湍流的实验研究

发布时间：2020-09-08 20:53

　　 磁约束托卡马克装置上伴有边界局域模(ELM)的高约束(H)模是面向未来聚变堆,如国际热核聚变实验反应堆(ITER)以及中国聚变工程实验堆的重要运行模式。在H模下的等离子体边界的狭窄区域会自发形成具备陡峭压强梯度的台基。而台基是决定等离子体整体运行参数的一个重要的因素。一方面,由于芯部等离子体具备刚性,台基温度直接决定了芯部等离子体的温度从而影响等离子体的宏观约束性能以及聚变增益。另一方面,台基参数影响着ELM的大小从而影响聚变材料的寿命。因此对于台基物理的研究具有十分重要的意义。H模台基区的约束改善被认为是由于边界台基湍流被抑制导致的。然而基于回旋动理学模型的模拟以及各装置上的实验研究结果表明H模台基区存在丰富的湍流现象。这些湍流随着台基梯度的形成而被激发,会反过来抑制台基的增长,直到ELM爆发。实验和模拟的结果表明这些湍流会影响等离子体粒子以及热输运过程。因此H模台基区的湍流研究一直是托卡马克输运领域的热点话题。目前实验中用于观测台基湍流的诊断工具有很多种,其中多普勒反射仪因其具备传统微波反射仪的高时空分辨率的优点,可以用于边界狭窄台基区域的多普勒频移,密度涨落以及极向速度涨落的测量。本论文主要介绍了围绕H模边界台基湍流测量开展的一系列工作,主要包括以下三部分内容:(1)在EAST托卡马克上研制了两套多普勒反射仪。为了测量H模期间的边界台基湍流,在EAST上开展了包括K窗口6道多普勒反射仪和J窗口4道多普勒反射仪在内的两套多普勒系统的研制工作。其中,六道多普勒反射仪于2017年投入到EAST实验中,位于K窗口中平面以下0.16m平行于中平面发射入等离子体,入射角度由等离子体位型决定,波数范围为4-7cm-1。利用6道多普勒反射仪我们观测到了H模期间的测地声模(GAM)现象,并首次在实验上证实了GAM磁涨落m=1的极向结构。实验结果表明GAM由m=2主导的磁涨落会在进入H模后变为由m=1分量所主导。通过多普勒系统的测量我们认为这种现象和H模期间较深的径向电场有关,这一结果和理论预测相符。H模GAM对背景湍流(AT)存在幅度调制作用,暗示着GAM通过径向电场Er涨落对湍流进行调制的因果关系。四道V波段多普勒系统于2019年春季搭建至K窗口,位于中平面以上0.175m,以15°倾角倾斜入射。第二章给出了四道多普勒反射仪的关键微波器件以及实验室的集成测试结果。测试结果表明四道多普勒反射仪在实验室下对低频速度涨落有着良好的响应,2019年EAST的实验结果也验证了这套反射仪系统的可行性。(2)在EAST托卡马克上开展了多尺度湍流的研究。我们通过EAST上不同诊断(POINT,ECE,XUV)研究了n=1外扭曲模的与n=12-17的相干模(CM)间的多尺度相互作用,结果发现外扭曲模可能通过两种方式和CM发生相互作用。一方面n=1模可以通过调制温度梯度实现对相干模(CM)幅度的间接调制。另一方面n=1模与n=12-17 CM存在直接的非线性相互作用。研究结果表明这种多尺度的调制作用并不会改变边界台基的结构。(3)在HL-2A装置上开展了H模边界(SOL)区贡献粒子输运的湍流研究。实验发现Ⅲ类ELMy H模边界以及SOL区存在一种贡献径向向内的粒子输运通量的高频相干模(HFM)。这种HFM频率为(100kHzf400kkHz),在实验室(22km/s)以及等离子体(24km/s)坐标系下传播方向皆沿电子抗磁漂移方向,极向模数m(?)28,环向模数n～8,kθρi～0.04。直接的测量结果表明HFM可以驱动径向向内的粒子输运通量,分析结果表明这是由于HFM的传播方向沿电子抗磁漂移方向导致的。由低频相干模(LFT,或称'blobby'结构)、HFM驱动的粒子输运通量和偏滤器粒子输运通量的衰减长度的时间演化结果表明:偏滤器粒子输运通量的衰减长度可以由HFM贡献的向内的粒子输运通量以及'blobby'结构贡献的向外的粒子输运通量(Γr,LFT,f40kHz)共同调节。当HFM驱动的向内的粒子输运通量爆发时,如果此时的'blobby'事件驱动的粒子输运通量水平很低,那么偏滤器粒子通量的衰减长度就被显著压缩,说明了反常输运对于SOL区衰减长度的重要作用。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TL631.24
【部分图文】：

用在人类发展的每一个时期都有迹可循。在遥远的原始火而形成了以“刀耕火种”这种形式为代表的原始农业，常生活中对能源的需求。十八世纪六十年的第一次工业明为代表的新兴能量转化产业推动了工业技术的发展，，标志着“蒸汽时代”的到来。之后的短短一百年内，掌握，以发电机的发明为标志，期间各种电气设备产业入以电力为主要能源形式的“电气时代”。可以说，这

逑人类实际使用的能源结构是否合理，比如是否会导致未来的能源危机，是否会影逡逑响全球气候等等。２０１８年英国石油公司（ＢＰ）公布的统计结果如图１．１所示⑴，逡逑可见，自１９６５年至２０１７年的半个多世纪以来，相比于核能、水电以及可再生能逡逑源，化石燃料（石油，煤炭，天然气）在全球一次能源总消耗量中始终占据大部逡逑分比例，这一比例在２０１７年约为８１％且这一趋势在未来的二十年间仍将持续。逡逑Ｇｌｏｂａｌ邋ｅｎｅｒｇｙ－ｒｅｌａｔｅｄ邋Ｃ０２邋ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ逡逑ｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌ逡逑－１０逡逑２０００邋２００１邋ｔｏｏｔ邋２００Ｊ邋？００？邋２００Ｓ邋２００６邋？００？邋２００滝邋１００＊邋１０１０邋２０１１邋２０１２邋２０１３邋２０１４邋２０１Ｓ邋２０ｌ？邋Ｊ０Ｉ７逡逑S缅澹

本文编号：2814626