【摘要】：將來聚變采用高參數(shù)、穩(wěn)態(tài)和長脈沖運行時,等離子體芯部高Z雜質(zhì)的聚芯必須要得到有效的控制。高Z金屬雜質(zhì)一旦聚芯就會對等離子體帶來十分嚴重的危害。存在的高Z金屬雜質(zhì)不僅會稀釋主離子的濃度,雜質(zhì)聚芯還會導致大量的等離子體輻射能量損失,嚴重惡化芯部等離子體約束,并降低聚變反應功率密度,影響高參數(shù)、穩(wěn)態(tài)和長脈沖的等離子體運行。高Z金屬雜質(zhì)行為的研究依賴于東方超環(huán)(EAST)裝置上雜質(zhì)相關(guān)的診斷系統(tǒng)的發(fā)展。本文重點介紹了 EAST裝置上新發(fā)展三套極紫外(EUV)光譜儀(EUV_Long/EUV_Short/EUV_Long2),EUV譜儀可以給出等離子體中雜質(zhì)高階電離態(tài)輻射信息,是用于芯部高Z雜質(zhì)輸運研究的重要診斷,已經(jīng)完成了波長和強度標定與譜線識別、二級庫建設和數(shù)據(jù)共享。除此以外,EAST裝置上新發(fā)展的濾光器(Filterscope)和多道光纖光譜儀(OSMA)可見光譜診斷系統(tǒng)可以用于研究邊界的雜質(zhì)行為,是研究雜質(zhì)源項信息的重要手段;可見軔致輻射診斷(VB)可以給出等離子體有效電荷數(shù)Zeff,用于裝置整體雜質(zhì)水平的評價;輻射量熱儀(Bolometer)和軟X射線(Soft X-ray)等診斷系統(tǒng)可以給出等離子體中總的雜質(zhì)輻射水平和分布;而依托這些診斷系統(tǒng),通過分析研究等離子體中的雜質(zhì)行為,有助于了解雜質(zhì)輸運的機制,從而找到用于控制雜質(zhì)聚芯的有效途徑,為高參數(shù)、長脈沖穩(wěn)態(tài)等離子體運行創(chuàng)造條件。本文對EAST裝置中性束(NBI)主導加熱高約束模(H模)下的鎢(W)雜質(zhì)行為進行了分析研究。NBI加熱總是會引入鎢雜質(zhì),同時常常觀察到鎢雜質(zhì)的聚芯并會嚴重影響H模的約束性能和參數(shù)分布。研究發(fā)現(xiàn):鎢雜質(zhì)的濃度會隨著射頻波(RF)加熱功率和邊界局域模(ELM)頻率的增大而降低;在有新經(jīng)典撕裂模(NTM)的H模放電中,鎢雜質(zhì)聚芯程度大大減弱,但是等離子體的約束性能也同時受到限制,而存在邊界密度擾動(EDF)的H模放電中,鎢雜質(zhì)濃度和聚芯程度得到了有效的控制并能維持很好的等離子體約束性能;EAST裝置上集成型小ELM (ISE) H模作為新的運行模式,可以獲得很好的約束性能,同時具備較低的雜質(zhì)水平和鎢雜質(zhì)約束時間,將是高參數(shù)、穩(wěn)態(tài)和長脈沖運行的一種理想模式。分析表明雜質(zhì)輸運與邊界安全因子(q95)和總的加熱功率密切相關(guān),在高q95和高功率加熱時,雜質(zhì)輸運明顯增強。并在低q95實驗中采用環(huán)向模數(shù)n=1的共振磁擾動(RMP),在相位差180 °時實現(xiàn)了對鎢雜質(zhì)濃度的有效控制。此外,本文首次在EAST裝置上利用自發(fā)的瞬態(tài)雜質(zhì)擾動研究了鐵(Fe)和銅(Cu)在低雜波(LHW)加熱條件下、無鋸齒等離子體中的雜質(zhì)約束特性。文中分別研究了歐姆和LHW加熱低約束模(L模)的雜質(zhì)約束時間對等離子體參數(shù)的依賴關(guān)系,結(jié)果表明LHW可以有效的降低雜質(zhì)約束時間,并由此給出了符合EAST的雜質(zhì)約束時間定標:42Ip0.32Bt0.2ne-0.43Ptotal-0.4,比較發(fā)現(xiàn)這一定標關(guān)系更靠近法國的Tore Supra裝置和歐共體的JET裝置定標律。分析LHW加熱的H模下的雜質(zhì)約束時間發(fā)現(xiàn)在高再循環(huán)(HER) H模放電中,在邊界存在～25kHz的邊界準相干模(ECM),這種放電條件下的雜質(zhì)約束時間比較低,并伴隨著較高的能量約束時間,這將是等離子體高參數(shù)、穩(wěn)態(tài)和長脈沖運行的另一種理想模式。
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TL631.24
【圖文】：

熱核聚變研究的意義逡逑問題的重要性逡逑人類賴以生存和社會發(fā)展的基礎和前提，也是長久以來各國經(jīng)濟一直關(guān)注的焦點。隨著人類社會的進步與發(fā)展，人們對加迫切。能源利用總量在不斷增長，與此同時能源消費總量的變化（圖１．１－１．２）邋［１］。目前，人類的能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)從單一油、天然氣等）發(fā)展到以化石燃料為主，可再生能源（太陽能、能、生物能等）、核聚變能多種消費結(jié)構(gòu)互補的局面，但是用過程中造成的環(huán)境污染問題始終沒有得到徹底的解決。近努力應對能源短缺和環(huán)境惡化等一系列重大挑戰(zhàn)。這些都是康發(fā)展所要面對的重大問題。逡逑４０「逡逑－

參與反應的輕核必須能夠克服原子核之間的庫倫斥力才能保證聚變反應的逡逑發(fā)生，所以核聚變必須在極高的壓強和溫度下才有可能發(fā)生。這些反應的截面各逡逑不相同，Ｄ邋－邋Ｔ、Ｄ邋－邋３Ｈｅ和Ｄ邋－邋Ｄ的反應截面隨Ｄ離子動能的變化曲線如圖１．３逡逑所示。從圖中可以看出，雖然單位Ｄ－３Ｈｅ反應所釋放出來的能量最多，但是在逡逑Ｄ離子能量較低的情況下，它的反應截面遠小于Ｄ－Ｄ和Ｄ－Ｔ反應。而Ｄ－Ｔ聚逡逑變的反應截面，在溫度１０－１００ＫｅＶ時要比Ｄ－Ｄ聚變反應的截面高兩至三個數(shù)逡逑量級。逡逑Ｄ是一種天然存在的同位素，并且大量的蘊含在海水中，而自然界沒有天然逡逑的Ｔ，這必須借靠人工的方法產(chǎn)生。Ｔ的產(chǎn)生可以借助于快中子和６Ｌｉ和７Ｌｉ的逡逑反應［４］：逡逑？＋６Ｌｉ＾Ｔ＋４Ｈｅ＋４．７９邋ＭｅＶ邐（１．６）逡逑？＋７Ｌｉ－＾ｎ＋Ｔ＋４Ｈｅ－２．４７邋ＭｅＶ邐（１．７）逡逑天然鋰中有７．５６邋％的６Ｌｉ和９２．４４邋％的７Ｌｉ。而且快中子與７Ｌｉ發(fā)生反應時逡逑還會產(chǎn)生一個中子，因為聚變反應過程中的中子能量十分巨大，扣除消耗掉的一逡逑些能量，新產(chǎn)生的中子依然有足夠大的能量和７Ｌｉ再次發(fā)生反應，這樣一個聚變逡逑中子便可以產(chǎn)生大于一個的氚。因此

【參考文獻】

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本文編號：2712963