EAST上低杂波驱动下的电流分布演化实验研究

发布时间：2020-11-16 16:02

　　 在托卡马克中,弱、负磁剪切的等离子体运行模式是实现未来实验聚变堆的有力途径之一,这种高效模式的运行有助于形成中空的电流分布,建立内部输运垒,进而改善等离子体芯部的约束状态,实现长脉冲的有效运行。在实验中,通过对等离子体电流的优化控制,可以实现弱、负磁剪切的等离子体长脉冲运行,但是由于欧姆加热的伏秒数有限,其驱动的等离子体电流也有限,所以必须借助于外部的辅助加热系统来有效驱动等离子体电流,实现对电流的控制以达到高效的等离子体运行模式。外部辅助加热系统主要包括中性束注入(Neutral Beam Inj ection)、电子回旋加热(Electron cyclotron resonance heating,ECRH)、离子回旋加热(Icon cyclotron resonance heating,ICRH)以及低杂波电流驱动(Lower hybrid current drive,LHCD),其中低杂波电流驱动在各个装置上都被证明是最有效的驱动方式之一。于是,研究低杂波驱动的等离子体电流并对其加以控制,是实现等离子体高约束运行模式的关键所在。在EAST全超导托卡马克上,通过低杂波系统驱动等离子体电流已经实现了L和H模的等离子体运行,证明了低杂波可以有效驱动非感应电流。但是低杂波驱动的电流沉积在什么位置以及在不同的参数下其有何变化,这些问题一直没有相应的诊断系统来实现对其有效的测量。2014年,POINT(POlarimeter-INTerferometer)偏振干涉仪系统在EAST上搭建成功,并于2015年实验中从原始的5道测量升级为11道水平测量,可以完成对等离子体电子密度和法拉第旋转角的同时测量,其中法拉第旋转角跟等离子体电流在小环方向产生的磁场有关,因此可以实现对等离子体电流的有效测量。POINT系统具有较高的时间分辨率,而且满足在长脉冲以及多种加热方式下稳定测量,这些优点都使得POINT系统成为EAST上等离子体电流的有效测量工具。本文主要围绕POINT系统对等离子体电流的测量展开。首先介绍了偏振干涉仪测量的基本原理以及列举了EAST上POINT系统的测量数据,其次,结合系统的误差分析着重介绍了光路中的杂散光对法拉第旋转角测量的影响,并通过理论分析建立了该误差项的物理模型,在该模型的基础上相应地在硬件上做了改进以及在数据处理中进行优化,通过两种方式结合提高了法拉第旋转角的测量精度。之后阐述了如何利用POINT测量数据约束EFIT平衡反演获得等离子体电流分布,并通过将动理学EFIT反演与POINT测量数据结合反演得到了更为可靠的等离子体电流分布。利用POINT数据与动理学EFIT反演结合得到的等离子体电流,研究了在不同参数下低杂波驱动的等离子体电流的沉积位置,并且开发了一种利用POINT实时测量数据来推断低杂波驱动的等离子体电流沉积位置的方法,为未来实现对等离子体电流分布的控制提供了参考。基于可靠的电流分布的测量及对低杂波驱动下电流分布演化的研究,在EAST长脉冲高参数放电中对电流分布进行了优化,得到了具有内部输运垒的各种长脉冲高参数放电中优化的电流分布和输运特征。在具有优化电流分布(平坦的电流分布,芯部q略大于1)的长脉冲稳态放电中,观察到了 1/1的撕裂膜和内扭曲模,这些磁扰动与电流输运的非线性耦合也许是维持平坦电流分布的可能原因。本文进一步基于POINT测量对GAM现象进行了物理实验研究,并在POINT测量的电子密度数据上看到了H模下GAM引起的密度涨落,验证了其极向模数为1的特征。本文的研究对电流分布的优化及改善约束,乃至未来实现对电流分布的实时控制提供了物理实验基础。
【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】：

］Ｈ?＋＼Ｈ?＾Ｈｅ＋?Ｉｎ人类己经在地球上实现了不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸，但是间内产生巨大能量，很难被收集起来被人类利用，所以为了将核聚为人类所用，必须对核聚变反应的速度以及反应规模进行人为的控反应生成能量的平稳输出，即对整个核聚变反应过程的控制。核聚高温和高压的环境下进行。在太阳上，巨大的太阳带来的万有引力供了非常大的压力，而且太阳中心温度极高，约有１５００万摄氏度，变反应可以在太阳上源源不断地进行。但是在地球上，由于没有足够供类似于太阳内部的压力，这就使得压力的不足只能通过温度的提温度必须达到上亿度才能满足聚变反应的条件。在地球上没有任何能够承受核聚变如此高的温度，因此如何有效地对发生的核聚变反实现可控核聚变必须要解决的问题。??在实现可控核聚变的研宄道路上，科学家相继提出了惯性约束和磁惯性约束核聚变是一种脉冲式的聚变反应，其主要利用高能量的脉一

１?ＬＷ＾?Ｈｅｌｉｕｍ??Ｎｅｕｔｒｏｎ??图１．１核聚变反应示意图??］Ｈ?＋＼Ｈ?＾Ｈｅ＋?Ｉｎ?（１．１）??人类己经在地球上实现了不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸，但是由于其在??短时间内产生巨大能量，很难被收集起来被人类利用，所以为了将核聚变产生的??能量为人类所用，必须对核聚变反应的速度以及反应规模进行人为的控制，以实??现对反应生成能量的平稳输出，即对整个核聚变反应过程的控制。核聚变反应需??要在高温和高压的环境下进行。在太阳上，巨大的太阳带来的万有引力为聚变反??应提供了非常大的压力，而且太阳中心温度极高，约有１５００万摄氏度，使得核??聚变反应可以在太阳上源源不断地进行。但是在地球上，由于没有足够的万有引??力提供类似于太阳内部的压力

同低杂波一同驱动了?２ＭＡ的等离子体电流在ＤＩＩＩ－Ｄ的实验中，利用快波电??流驱动实现了等离子体电流分布在中心处的峰化［１６］。??１．１．４低杂波电流驱动??低杂波电流驱动是射频波电流驱动中最为有效的一种方式，其驱动原理为通??过低杂波电线辐射的不对称谱的低杂波能量，使得入射的低杂波在环向传播的动??量具有单向性，这样具有单向动量的波在沿环向传播时，与等离子体中的共振电??子通过有效的朗道阻尼，将低杂波携带的能量传递给等离子体中的电子，从而形??成了电子密度分布的共振区平台，生成了一个由高能电子携带的等离子体电流。??低杂波不仅可以用于驱动等离子体电流，而且可以有效地调节等离子体电流的密??度分布，以此来改善等离子体的约束状态。在ＪＴ－６０Ｕ的实验中，通过改变低杂??波的注入参数成功改善了等离子体的约束状态，使得反剪切的等离子体位形持续??维持了?７．５ｓｌ１７］。同时在ＪＴ－６０Ｕ的实验中，还通过对比低杂波、电子回旋波以及??中性束注入条件下的电流驱动效率验证了低杂波驱动等离子体电流比其他方式??更为有效??
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本文编号：2886418