磁約束托卡馬克裝置上伴有邊界局域模(ELM)的高約束(H)模是面向未來聚變堆,如國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)以及中國聚變工程實驗堆的重要運行模式。在H模下的等離子體邊界的狹窄區(qū)域會自發(fā)形成具備陡峭壓強梯度的臺基。而臺基是決定等離子體整體運行參數(shù)的一個重要的因素。一方面,由于芯部等離子體具備剛性,臺基溫度直接決定了芯部等離子體的溫度從而影響等離子體的宏觀約束性能以及聚變增益。另一方面,臺基參數(shù)影響著ELM的大小從而影響聚變材料的壽命。因此對于臺基物理的研究具有十分重要的意義。H模臺基區(qū)的約束改善被認為是由于邊界臺基湍流被抑制導致的。然而基于回旋動理學模型的模擬以及各裝置上的實驗研究結果表明H模臺基區(qū)存在豐富的湍流現(xiàn)象。這些湍流隨著臺基梯度的形成而被激發(fā),會反過來抑制臺基的增長,直到ELM爆發(fā)。實驗和模擬的結果表明這些湍流會影響等離子體粒子以及熱輸運過程。因此H模臺基區(qū)的湍流研究一直是托卡馬克輸運領域的熱點話題。目前實驗中用于觀測臺基湍流的診斷工具有很多種,其中多普勒反射儀因其具備傳統(tǒng)微波反射儀的高時空分辨率的優(yōu)點,可以用于邊界狹窄臺基區(qū)域的多普勒頻移,密度漲落以及極向速度漲落的測量。本論文主要介紹了圍繞H模邊界臺基湍流測量開展的一系列工作,主要包括以下三部分內容:(1)在EAST托卡馬克上研制了兩套多普勒反射儀。為了測量H模期間的邊界臺基湍流,在EAST上開展了包括K窗口6道多普勒反射儀和J窗口4道多普勒反射儀在內的兩套多普勒系統(tǒng)的研制工作。其中,六道多普勒反射儀于2017年投入到EAST實驗中,位于K窗口中平面以下0.16m平行于中平面發(fā)射入等離子體,入射角度由等離子體位型決定,波數(shù)范圍為4-7cm-1。利用6道多普勒反射儀我們觀測到了H模期間的測地聲模(GAM)現(xiàn)象,并首次在實驗上證實了GAM磁漲落m=1的極向結構。實驗結果表明GAM由m=2主導的磁漲落會在進入H模后變?yōu)橛蒻=1分量所主導。通過多普勒系統(tǒng)的測量我們認為這種現(xiàn)象和H模期間較深的徑向電場有關,這一結果和理論預測相符。H模GAM對背景湍流(AT)存在幅度調制作用,暗示著GAM通過徑向電場Er漲落對湍流進行調制的因果關系。四道V波段多普勒系統(tǒng)于2019年春季搭建至K窗口,位于中平面以上0.175m,以15°傾角傾斜入射。第二章給出了四道多普勒反射儀的關鍵微波器件以及實驗室的集成測試結果。測試結果表明四道多普勒反射儀在實驗室下對低頻速度漲落有著良好的響應,2019年EAST的實驗結果也驗證了這套反射儀系統(tǒng)的可行性。(2)在EAST托卡馬克上開展了多尺度湍流的研究。我們通過EAST上不同診斷(POINT,ECE,XUV)研究了n=1外扭曲模的與n=12-17的相干模(CM)間的多尺度相互作用,結果發(fā)現(xiàn)外扭曲�？赡芡ㄟ^兩種方式和CM發(fā)生相互作用。一方面n=1模可以通過調制溫度梯度實現(xiàn)對相干模(CM)幅度的間接調制。另一方面n=1模與n=12-17 CM存在直接的非線性相互作用。研究結果表明這種多尺度的調制作用并不會改變邊界臺基的結構。(3)在HL-2A裝置上開展了H模邊界(SOL)區(qū)貢獻粒子輸運的湍流研究。實驗發(fā)現(xiàn)Ⅲ類ELMy H模邊界以及SOL區(qū)存在一種貢獻徑向向內的粒子輸運通量的高頻相干模(HFM)。這種HFM頻率為(100kHzf400kkHz),在實驗室(22km/s)以及等離子體(24km/s)坐標系下傳播方向皆沿電子抗磁漂移方向,極向模數(shù)m(?)28,環(huán)向模數(shù)n～8,kθρi～0.04。直接的測量結果表明HFM可以驅動徑向向內的粒子輸運通量,分析結果表明這是由于HFM的傳播方向沿電子抗磁漂移方向導致的。由低頻相干模(LFT,或稱'blobby'結構)、HFM驅動的粒子輸運通量和偏濾器粒子輸運通量的衰減長度的時間演化結果表明:偏濾器粒子輸運通量的衰減長度可以由HFM貢獻的向內的粒子輸運通量以及'blobby'結構貢獻的向外的粒子輸運通量(Γr,LFT,f40kHz)共同調節(jié)。當HFM驅動的向內的粒子輸運通量爆發(fā)時,如果此時的'blobby'事件驅動的粒子輸運通量水平很低,那么偏濾器粒子通量的衰減長度就被顯著壓縮,說明了反常輸運對于SOL區(qū)衰減長度的重要作用。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TL631.24
【部分圖文】：

用在人類發(fā)展的每一個時期都有跡可循。在遙遠的原始火而形成了以“刀耕火種”這種形式為代表的原始農(nóng)業(yè)，常生活中對能源的需求。十八世紀六十年的第一次工業(yè)明為代表的新興能量轉化產(chǎn)業(yè)推動了工業(yè)技術的發(fā)展，，標志著“蒸汽時代”的到來。之后的短短一百年內，掌握，以發(fā)電機的發(fā)明為標志，期間各種電氣設備產(chǎn)業(yè)入以電力為主要能源形式的“電氣時代”�？梢哉f，這

逑人類實際使用的能源結構是否合理，比如是否會導致未來的能源危機，是否會影逡逑響全球氣候等等。２０１８年英國石油公司（ＢＰ）公布的統(tǒng)計結果如圖１．１所示⑴，逡逑可見，自１９６５年至２０１７年的半個多世紀以來，相比于核能、水電以及可再生能逡逑源，化石燃料（石油，煤炭，天然氣）在全球一次能源總消耗量中始終占據(jù)大部逡逑分比例，這一比例在２０１７年約為８１％且這一趨勢在未來的二十年間仍將持續(xù)。逡逑Ｇｌｏｂａｌ邋ｅｎｅｒｇｙ－ｒｅｌａｔｅｄ邋Ｃ０２邋ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ逡逑ｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌ逡逑－１０逡逑２０００邋２００１邋ｔｏｏｔ邋２００Ｊ邋？００？邋２００Ｓ邋２００６邋？００？邋２００滝邋１００＊邋１０１０邋２０１１邋２０１２邋２０１３邋２０１４邋２０１Ｓ邋２０ｌ？邋Ｊ０Ｉ７逡逑S緬澹

本文編號：2814626