J-TEXT装置上低Z杂质行为实验研究

发布时间：2020-09-21 15:01

　　托卡马克等离子体中的杂质会增大辐射损失,影响等离子体能量平衡和粒子平衡,使等离子体温度下降,导致等离子体的约束性能变差,甚至出现破裂不稳定性。对于聚变装置,杂质会稀释聚变燃料,使聚变功率降低。因此有效控制托卡马克等离子体中的杂质行为是未来聚变堆高参数稳态运行的关键之一。目前人们对托卡马克中的杂质行为还没有一个清晰完整的认识,基于新经典杂质输运理论无法解释现有装置测量结果,主要是存在一个与湍流密切相关的反常输运。一般说来,反常输运的重点是考察横越磁力线的径向输运行为(在合适的条件下,可以认为垂直输运)。但在特定条件下,平行输运的贡献会使杂质分布变得更加复杂。因此在杂质分布这一问题上需要同时考虑平行输运和垂直输运的影响。本文以J-TEXT托卡马克装置为平台,实验研究了等离子体中低Z杂质的行为特性。为了开展杂质相关研究,发展了一系列辐射和杂质光谱诊断,具体分为:1.AXUV热辐射诊断。它包括极向阵列和环向阵列两部分,基于此诊断通过反演运算可得到等离子体的热辐射剖面及环向辐射的对称性信息;2.CⅢ光电二极管阵列诊断。其利用滤光片选取C Ⅲ特征线(464.7nm)并通过透镜成像原理,可提供高/低场侧和限制器的C Ⅲ辐射信息,用于分析C Ⅲ离子的行为;3.单色光成像诊断。可提供高/低场侧特定波长的辐射剖面,主要用于分析指定杂质离子(如CV)的行为。本文主要实验研究内容如下:(1)杂质辐射行为研究。首先利用STRAHL代码模拟辐射损失情况。结合模型计算的输运系数,以及对AXUV探测器响应度的修正,可以较好地重现了 AXUV诊断测量结果。不同密度下的杂质辐射行为研究结果显示:J-TEXT装置上密度极限破裂前观测到边界冷却现象,边界碳杂质辐射增强,同时有边缘非对称多层辐射现象(MARFE)出现。这个过程中辐射损失只占输入功率的30%。通过注杂改变辐射损失,发现辐射损失与密度极限存在一个阈值。不同种类的杂质通过影响边界辐射损失改变MARFE的行为,其原因可能是因冷却辐射函数的改变。未发生MARFE时,边界区域也观测到CⅢ辐射非对称现象,且随着密度增加而越发明显。实验结果显示它与碳源、平行输运和垂直输运行为密切相关。(2)杂质输运行为研究。首先,通过碳杂质诊断提供的剖面信息,利用STRAHL代码计算得到了高/低场侧碳杂质输运系数。结果显示高场侧的扩散系数小于低场侧,且随着密度的增加,低场侧扩散减小。其次,为了解释杂质辐射的非对称现象,从碳源、主离子与杂质离子摩擦力以及离心力三个方面进行实验研究。通过改变限制器的位置和主动注杂的方式来研究局部碳源对碳杂质分布非对称的影响,结果显示碳源对C Ⅲ辐射环向非对称有明显影响,但对于极向非对称无明显影响。STRAHL模拟碳源影响的结果同实验观测结果一致。不同环向位置的注杂结果也证实了这个结论。除了碳源以外,主离子与杂质离子的摩擦力对C Ⅲ辐射极向非对称也起着重要作用。实验结果显示离子密度梯度和离子温度梯度影响杂质极向非对称性的大小和方向。离心力影响受限于等离子体转动速度,所以其影响较小,只有一些特殊放电中(如锁模)才会有所体现。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TL631.24
【部分图文】：

产额,离子对,代码,实线

化学瓣射是指入射粒子与固体材料原子结合形成挥发性的分子化合物。逡逑这个过程主要发生在石墨和碳基复合材料中。例如氨离子或原子入射到碳基材料上容易逡逑形成碳氨化合物，而氧离子入射容易形成碳氧化合物。图１－３所示的是不同温度下不同逡逑能量的氨离子对石墨材料的化学瓣射产额影响。从图中发现，当温度在９００邋Ｋ附近时，逡逑其产额最大，且随入射氨离子能量的增大而表现出不同的变化。当入射氨离子能量小于逡逑３邋ｋｅＶ时随着能量的增大而化学瓣射产额减小。对比物理~J射，对于石墨或碳基材料而逡逑言，当边界温度较高的等离子体（几十电子伏特），物理瓣射占主导；反之，当温度较逡逑低时，化学瓣射占主导。对于化学瓣射的防护一般采用在石墨中惨入一些测，娃，镜等逡逑元素的方法，可大幅度减小化学瓣射产额。逡逑解吸。通常固体表面会吸附一层来自周围环境的气体。不同吸附气体与固体表面原逡逑子或分子的结合能也不尽相同，从物理吸附（０．３邋ｅＶ）到化学吸附（３邋ｅＶ）。这些吸附逡逑的气体受到热能影响

氨离子,产额,化学,背景温度

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杂质,杂质浓度,能量平衡,等离子体杂质

华中科技大学博去学位论文逡逑马克等离子体杂质研究过程中，首先开展的是能量平衡相关研究。和能量平衡的影响，可１＾＾吏我们更深入的理解等离子体约束，粒子的物理机理。特别是对于等离子体边界物理，由于托卡马克装置上体与壁相互作用，那么这部分杂质如何从边界进入等离子体内部进，怎样才能有效的避免或减小杂质的产生，如何利用调制手段将杂是杂质研究中的重要问题。逡逑ｌ00￣＝

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