【摘要】：等離子體粒子約束和輸運的研究一直都是磁約束核聚變物理最重要也是最基本的研究課題之一。約束和輸運的特性不僅直接影響著等離子體密度,而且與等離子體儲能以及總的能量約束時間有比較大的關聯(lián)。對未來核聚變裝置來說,實現(xiàn)聚變產出的最大化必須要獲得高密度以及高能量約束時間的等離子體。而研究等離子體約束和輸運相關物理的主要目的就是為了在未來聚變反應堆中獲得高約束模式的穩(wěn)態(tài)等離子體,并且嘗試控制它。托卡馬克中的密度一直都是最基本的物理量。為了觀察EAST裝置中密度變化,已經發(fā)展了三道HCN干涉儀以及十一道偏振干涉儀兩種弦積分密度測量診斷,其中偏振干涉儀具有較高的時間分辨率,不僅可以用來做密度反饋,而且對于研究相關密度漲落具有非常重要的意義。另外,微波反射計和湯姆遜散射系統(tǒng)能夠提供密度的局域測量。這些相關診斷的發(fā)展為粒子輸運的研究提供了可靠的數(shù)據支持。等離子體粒子輸運的研究一直都是一個難點。一方面,相對于能量輸運,從實驗上確定粒子輸運的粒子源并不容易。另一方面,粒子平衡方程中還存在一個對流項。從等離子體平衡態(tài)中分離出對流和擴散幾乎不可能。在EAST上發(fā)展了一種使用超聲分子束(SMBI)注入擾動密度的方式來測量粒子輸運系數(shù)。相比于充氣,SMBI具有加料效率高、響應時間短等優(yōu)點。另外,通過彈丸注入可以使密度急劇升高,因而可以利用粒子通量和密度梯度的關系得到粒子輸運系數(shù),但這種方法需要特定的實驗條件。本論文利用密度調制方法,研究了不同約束模式下的粒子輸運系數(shù)。歐姆放電中,邊界等離子體輸運系數(shù)比芯部明顯大,但在H模與L模中該差別比歐姆放電明顯。這里芯部擴散系數(shù)Dc=0.2 m~2/s,邊界為De=0.8 m~2/s。H模中,芯部擴散系數(shù)比較小。對于對流速度來說,這三種情況下的差別相對擴散系數(shù)要更明顯。首先,邊界對流速度比芯部要大很多倍。H模有著很強的向內的對流速度,歐姆放電的對流速度最小。這與H模中邊界臺基的形成有著密切的聯(lián)系。共振磁擾動(RMP)引起的密度排出是一種重要的粒子輸運現(xiàn)象。密度排出期間,粒子約束變差,甚至會引發(fā)H-L轉換。利用密度調制獲得了H模下密度排出現(xiàn)象前后的粒子輸運系數(shù)。在粒子源可以被忽略的等離子體芯部,粒子輸運系數(shù)的變化應與密度梯度尺度倒數(shù)的變化一致。在臺基區(qū)域,RMP加入導致擴散系數(shù)的增加,但是向內的對流降低,表明了更多的粒子通過分界面而損失掉。而通過對比新經典輸運系數(shù)發(fā)現(xiàn),調制所得的輸運系數(shù)要大一兩個量級,說明反常輸運在RMP導致的密度排出中起主要作用。RMP加入后,邊界徑向電場的勢阱減小,相應的ExB剪切率在ρ=0.97的位置降低。通過分析邊界密度漲落發(fā)現(xiàn),在RMP加入期間,等離子體密度漲落明顯增加,這與剪切率降低的位置一致,表明密度排出現(xiàn)象與湍流輸運的增加相關。通過分析EAST近年來的運行圖,觀察到超過Greenwald密度極限運行的放電。而這些放電大都伴隨MARFE的產生。歐姆條件下接近密度極限的放電中通常會出現(xiàn)比較強的磁擾動,同時偏振干涉儀(POINT)所測密度漲落也增加。這些現(xiàn)象在H模下超密度極限的放電中也有出現(xiàn),伴隨有偏濾器脫靶現(xiàn)象的產生。而在輻射較強的MARFE條件下,由于密度梯度的增加,電磁波在其中會發(fā)生大角度的折射,可能會導致干涉儀信號的丟失。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TL631
【圖文】：

圖１．１托卡馬克裝置示意圖逡逑托卡馬克是由蘇聯(lián)科學家發(fā)明的一種環(huán)形磁約束聚變裝置，利用外部線圈產逡逑生的磁場以及等離子體電流產生的磁場結合形成螺旋狀的磁力線將等離子體約逡逑束在裝置內部，通過外部輔助加熱以及各種加料手段使等離子體參數(shù)提高從而發(fā)逡逑生聚變反應。高密度、高溫度以及高能量約束時間是目前磁約束核聚變追求的目逡逑標。逡逑１．２等離子體粒子輸運研究意義逡逑核聚變輸出功率Ｐ與氘離子取和氚離子》，的積成正比％逡逑ＰＴ？邋＝邋”ｃｌｎ？邐（１－３）逡逑〈ｏｖ〉：ＤＴ核聚變反應的反應截面；單一核聚變反應的輸出能量。逡逑等離子體密度《＝？＃？，，故上式可寫為：逡逑戶７（卜？）〈ＯＴ〉ｆ邐（１－４）逡逑當《尸０．５／７，８卩當氘元素和氚元素的密度相等＾？，時，如下式，此時產量最大逡逑

逡逑出現(xiàn)如圖１．２所示的完全的切斷粒子供給，但是在周邊部分卻是很難做到這一點。逡逑＇邐！＝１邋￣￣ｓ逡逑ｍ邋ｊ邐粒子約束時間＾邋Ｕ—逡逑０邐Ｖ邐邋ｉ逡逑＾邐切斷粒子供給時間＼邋＼逡逑Ｉ邐！邋＼逡逑罐邋Ｎ邋Ｊｅ逡逑邐Ｉ邐Ｉ邐逡逑０邐１２邐３邐４逡逑ｔ逡逑圖１．２粒子約束時間定義逡逑為了控制密度，可以利用充氣，或者是彈丸注入等手段（射入冷凍后的氫、逡逑氘固態(tài)燃料）。簡單來考慮，如停止外部粒子的供應，密度在約束時間內下降這逡逑一情況并不一定會出現(xiàn)。這是由于包圍等離子體的真空容器的壁材料具有吸附氣逡逑體的性質。從等離子體到等離子體的邊界以外被輸運的粒子束會重組，變成中性逡逑原子的氣體（氫等離子體是氫原子的氣體）。中性原子的氣體被容器壁吸附的同逡逑時，由于與等離子體周邊部分相互作用，被吸附的氣體再次進入等離子體中。這逡逑個作用被稱作再循環(huán)作用。由于再循環(huán)作用，供給燃料時必須考慮到這一點，（１．６）逡逑式實際上應為再循環(huán)作用部分加上包含燃料供給在內的粒子供給效率Ｓ邋（稱為粒逡逑子源項）。包含Ｓ項的等式如下：逡逑－邋＝邋－—邋＋邋Ｓ邐（１．８）逡逑ｄｔ邋Ｔｐ逡逑下面我們根據（１．８）式來定義考慮到粒子供給的約束時間。粒子的供給效率逡逑為，從真空容器外部入射的氣體以及壁再循環(huán)作用，中性粒子束加熱的情況下，逡逑還需包含中性粒子束的粒子源。不考慮粒子供給，再看（１．６）式，粒子約束時間＜逡逑為實際的粒子約束時間。定義再循環(huán)率為：逡逑Ｒ邋＝邋＼－＾￣邐（１．９）逡逑再循環(huán)強的情況下

要清洗由于直流放電吸附在容器壁上的氦和氫。也可涂上Ｂｅ，邋Ｂ，Ｌｉ、Ｔｉ逡逑等組成的涂料。在ＥＡＳＴ托卡馬克裝置上，通常在實驗前進行鋰化以降低再循環(huán)。逡逑圖１．３顯示了在ＣＨＳ裝置中的再循環(huán)率的測量結果。＜為從充氣停止后的密度逡逑時間變化情況得出的評價，＆為根據極向方向和環(huán)形方向設置的多通道探測器以逡逑及真空容器內的粒子源的非對稱性得出的結果，根據（１．８）式作出的分析。再循環(huán)逡逑率可以從等離子體脫欄后偏濾器位形變化得知。逡逑？０３８邋—。。邋▲邋＞逡逑：邐＊４邋＾邋Ａ邐：邋▲邐Ｘ逡逑＊邋０．９６邋－邋Ｘ．邋0．邐＃邐．逡逑：邐▲辦邐ｘ逡逑▲逡逑０．９４邋－邐．逡逑Ｖ邋？邐？邋８８．８邋＇逡逑；邐ｘ邐▲邐９４．９邐：逡逑０．９２邋－邐ｘ邋Ｈ邋＊邋＇逡逑＇Ｇｃｍ：ｃｎｔｒ，邐0邋１０１．６邋］逡逑邐邐邐邐邐邐邐逡逑０１邐２３４５６７８逡逑ｎ0邋（１0ｌ３ｃｍ＇３＞逡逑圖１．３在ＣＨＳ裝置中，再循環(huán)率與密度以及磁軸位置的關系。Ｒａｘ邋＝８８．８，邋９４．９，邋９７．４ｃｍ逡逑為限制器位形。ＲａＸ＝９９．５，１０１．６ｃｍ為脫欄后的偏濾器位形【７］。逡逑式中的密度Ｎ為等離子體的平均密度。從大概的密度，我們可以逡逑粗略地討論宏觀的約束情況。關于粒子輸運的詳細的討論，必須考慮等離子體的逡逑空間分布。因此

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本文編號：2746327