三维磁扰动场对EAST托卡马克中阿尔芬本征模控制作用的实验研究

发布时间：2020-09-19 08:31

　　磁约束聚变中高能量粒子的良好约束对于维持核聚变反应的自持燃烧和高增益功率输出起着决定性的作用。但是在环形磁约束装置中出现的阿尔芬本征模却对高能量粒子的约束起着破坏的作用。环形阿尔芬本征模可以通过波与粒子的共振相互作用造成高能量粒子的输运损失,这在低碰撞的燃烧等离子体中高能量粒子的损失途径中甚至起着主导的作用。因此我们有必要研究阿尔芬本征模的激发条件和控制手段。在EAST全超导托卡马克上我们结合共振磁扰动线圈系统产生的三维磁扰动场和电子回旋共振加热系统对阿尔芬本征模的激发和控制问题进行了系统的实验研究。我们在国际上首次发现了三维磁扰动场在渗透重联之后可以产生沿浅俘获轨道进动的高能量电子,并进一步激发一只高频(f～150 kHz)的沿着离子逆磁方向传播的环形阿尔芬本征模。与此同时三维磁扰动场也可以激发一只在环向呈现驻波结构的低频(f～20 kHz)比压阿尔芬本征模。它在撕裂模(f=2 kHz)出现时会因多普勒效应分裂成两支不同频率(f～=18 kHz,f2=22 kHz)的模式。另外还在EAST装置上首次发现了电子回旋共振加热对环形阿尔芬本征模的激发作用,并发现了以50 ms周期在200 kW和500 kW之间做切换的电子回旋共振加热的功率调制对环形阿尔芬本征模的频率也产生了高达Δf=25 kHz的调制作用。经过对多种可能性的排除,这种频率调制作用有可能是电子回旋加热的功率调制对局域的密度或者安全因子产生了调制作用。除了上述对阿尔芬本征模的实验观测,我们还结合三维磁扰动场和电子回旋共振加热系统对阿尔芬本征模进行了主动控制的实验研究。我们发现处于共振加热模式的电子回旋可以完全抑制高频的环形阿尔芬本征模并同时增强低频的比压阿尔芬本征模。而处于电流驱动模式的电子回旋却发生了完全相反的作用,它可以增强高频的环形阿尔芬本征模而同时抑制低频的比压阿尔芬本征模。而三维磁扰动场对于波加热作用下的比压阿尔芬本征模有着增强的作用。另外密度对环形阿尔芬本征模的稳定性也有重要的作用,在密度升高后因为高能量电子被慢化削减,环形阿尔芬本征模被致稳。这些工作揭示了三维磁扰动场和电子回旋加热或可以在未来的聚变反应堆中作为主动控制阿尔芬本征模的有效手段而得到应用。
【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】：

超导托卡马克,全景图,磁扰动

中国科学院合肥物质科学研究院下属的等离子体物理研究所于２００６年建成逡逑的邋ＥＡＳＴ邋（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋Ａｄｖａｎｃｅｄ邋Ｓｕｐｅｒ邋ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ邋Ｔｏｋａｍａｋ／ＥＡＳＴ／“东方超环”）托逡逑卡马克聚变实验装置（如图１．２所示）是世界上第一个采用全超导？磁体的托卡逡逑马克。在ＥＡＳＴ全超导托卡马克的内真空室安装有共振磁扰动线圈系统，通过灵逡逑活地调节线圈上的电流，就可以产生多种模式的三维磁扰动场。结合共振磁扰动逡逑线圈系统我们开展了三维磁扰动场对ＥＡＳＴ中阿尔芬本征模控制作用的实验研逡逑究。并且在国际上首次观察到了三维磁扰动场在渗透进等离子体后对环形阿尔逡逑芬本征模的激发作用。另外我们还将三维磁扰动场和ＥＡＳＴ上的电子回旋共振逡逑加热系统联合起来起来对阿尔芬本征模的激发和控制进行了实验研究。我们还逡逑利用电子回旋共振加热系统的不同运行模式，在ＥＡＳＴ上首次实现了对特定阿逡逑尔芬本征模的抑制或者增强的自由控制。最后我们还测试了密度对阿尔芬本征逡逑模稳定性的影响。逡逑本文的结构如下：第一章简单介绍聚变能开发对未来星际航行的重要性和逡逑阿尔芬本征模对目前聚变研究的重要意义。第二章系统地介绍了阿尔芬本征模逡逑的实验观测，主动控制和理论的前沿进展。第三章介绍了邋ＥＡＳＴ上的共振磁扰动逡逑线圈系统，探测磁流体不稳定模式的相关诊断和实验数据的分析方法。第四章介逡逑绍了我们在ＥＡＳＴ托卡马克中利用三维磁扰动场对阿尔芬本征模进行激发的实逡逑验结果。第五章介绍了利用电子回旋加热激发阿尔芬本征模的实验结果。第六章逡逑？注：全超导是指不仅纵场线圈采用了超导磁体

连续谱,模数,平衡分布,自洽性

的平衡分布为：／？0邋＝邋１．８邋ｍ，ｒ邋Ｇ邋［０，１］，ｇ（ｒ）邋＝邋１邋＋邋３ｒ２，《ｅ邋＝邋２（１邋－邋ｒ２）。平衡磁场和逡逑其它参数取为了单位〗（为了简单期间，这里没有考虑平衡分布的自洽性）。对逡逑应的阿尔芬连续谱如图２．１所示。逡逑Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ邋Ａｌｆｖｅｎ邋Ｓｐｅｃｔｒｕｍ：邋ｎ邋＝邋２逡逑画逡逑０．０逦０．２逦０．４逦０．６逦０．８逦１．０逡逑ｒ逡逑图２．１柱几何中不考虑极向模数耦合的阿尔芬连续谱。逡逑２．环几何中连续谱间隔的形成逡逑弓邋Ｉ邋入小环坐标（见附录）：阶，０，Ｃ，Ｇ邋＝逦＝邋／Ａ：｜｜ｍ０ｍ逡逑和４邋＝逦这样方程（２．８）就变为了：逡逑７ｒ＾ｉ邋￣邋ｋｌ＾邋＋邋＾ＴＳＶ？２邋￣逦－邋１Ｘ＾邋－邋ｋｌ）ｒＥ＾邋（２９）逡逑＋邋＞３（Ｓ）２邋竞＋逦＝邋0逦．逡逑上述方程可以被近似和简化成如下关于ｍ，ｍ邋＋邋１极向分量的形式逡逑１１逡逑

连续谱,本征模

逦邋（２．１２）逡逑对于ｎ邋＝邋２，邋ｍ邋＝邋１，２耦合产生的环形阿尔芬连续谱间隔的模拟结果如图２．２所逡逑不。逡逑＾逦Ｔｏｒｏｉｄａｌ邋Ａｌｆｖｅｎ邋Ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋ＧＡＰ：邋ｎ邋＝邋２逡逑Ｕ．ＺＵ邋［＂Ｉ￣１邋￣ｉ￣１邋￣｜￣１邋￣１邋￣１邋￣￣１邋￣｜￣＇￣１邋１邋１邋｜￣１邋￣＇￣？邋￣？邋￣Ｉ邋１邋￣＇￣１邋￣Ｔ邋｜￣＇￣＇／邋１邋￣逡逑０．１８－逦—邋Ｕ２｛ｍ＝１）：逡逑－－－－邋ｕ）＾（ｍ邋—邋２）逡逑Ｓ邋0１５邋＾Ｎ．逦——＾＋（ｍ邋＝邋ｌ，２）－逡逑＾邋０．１３邋：逦——ｗｌ（ｍ邋＝邋ｌ，２）：逡逑＾邋０．１０邋＾邋＼邋？，＝邋＃）」逡逑Ｔ0．0８：邋＼逦／／逦，逡逑、。。５丨逦ｖ／逦／逡逑。？…一＾：逡逑０．０逦０．１逦０．２逦０．３逦０．４逦０．５逦０．６逡逑ｒ逡逑图２．２邋ｍ＝ｌ，２耦合的连续谱间隔结构逡逑３．阿尔芬本征模逡逑因为连续谱阻尼的作用，只有在环几何中处于阿尔芬连续谱间隔中的离散逡逑值本征模式才不会受到强烈的阻尼作用。对于高ｎ环向模数的环形阿尔芬本征逡逑模，Ｃ．Ｚ．邋Ｃｈｅｎｇ教授解析地求出其在连续谱间隔中的离散本征解［２（）］。对于高ｎ逡逑的阿尔芬本征模

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