發(fā)電機效應是一種普遍存在于自然界與實驗室的物理現(xiàn)象。反場箍縮位形中可以產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)電機效應,且富含各種不同驅(qū)動機制的發(fā)電機現(xiàn)象。發(fā)電機效應是磁場自組織現(xiàn)象的基礎組成,涉及反場箍縮等離子體弛豫到沃杰-泰勒態(tài)的核心過程,是反場箍縮位形平衡與不穩(wěn)定性的關鍵因素。反場箍縮裝置中殼上渦流的演化與電阻壁模、撕裂模等不穩(wěn)定性密切相關,渦流時空分布的研究可以促進對等離子體平衡、破裂與三維擾動磁場等物理機制的深入理解。穩(wěn)定殼渦流診斷適于觀測環(huán)形磁約束裝置的三維物理現(xiàn)象,利用全空間的渦流分布探究等離子體的發(fā)電機效應,擺脫了發(fā)電機現(xiàn)象空間隨機發(fā)生對診斷系統(tǒng)的制約,從而使得借助渦流診斷研究發(fā)電機效應具有獨特的優(yōu)勢。論文首先詳細介紹了科大一環(huán)裝置(Keda Torus eXperiment,KTX)的復合殼渦流診斷系統(tǒng):渦流探針陣列,該陣列是KTX裝置原創(chuàng)并成功實現(xiàn)的診斷技術。渦流探針陣列具有測量精度高、覆蓋等離子體閉合邊界、實現(xiàn)渦流矢量測量以及可同步給出電場與磁場的信息等特點,適用于環(huán)形等離子體三維物理的實驗研究。文中逐步展示了渦流的測量原理、探針陣列的組成和具體分布,并對各部分探針的標定、模型驗證以及平臺上的測試進行了介紹。利用渦流探針陣列給出了KTX裝置放電期間,復合殼上渦流幅度與角度的時間演化,且將其轉(zhuǎn)化為電流函數(shù)從而更為直觀地呈現(xiàn)了渦流分布�；跍u流診斷的三維布局、閉合邊界以及渦流矢量測量等特性,可將其應用于等離子體平衡、不穩(wěn)定性分析、磁場自組織現(xiàn)象以及主動控制等多個方面。而后利用極向振蕩電流驅(qū)動(Oscillating Poloidal Current Drive,OPCD)技術有規(guī)律地調(diào)制鋸齒崩塌事件,首次系統(tǒng)地研究了邊界振蕩電場對發(fā)電機現(xiàn)象的夾帶效應和離子加熱的影響。OPCD可以調(diào)制反場箍縮中的磁場擾動以及弛豫行為,常規(guī)放電中隨機發(fā)生的鋸齒會在OPCD調(diào)制下爆發(fā)時序呈規(guī)律變化,只在振蕩周期中的特定時刻重復發(fā)生。OPCD雖能將鋸齒崩塌時刻約束在較窄的相位范圍內(nèi),但依舊保留了兩次鋸齒崩塌間隔的內(nèi)稟隨機性。通過改變不同的振蕩參數(shù),給出了鋸齒夾帶效應最佳的放電條件,并研究了鋸齒發(fā)生頻率與OPCD調(diào)制頻率之間的關系。之后,從平衡參數(shù)演化和相應的磁流體力學行為來分析OPCD周期性調(diào)制鋸齒行為的機制,在((?),F)相圖中給出了等離子體的穩(wěn)定區(qū)域邊界。借助離子多普勒光譜儀發(fā)現(xiàn)OPCD可以周期性地調(diào)制雜質(zhì)離子(C+4)的溫度變化,并且離子溫度隨著振蕩電場的周期而逐漸升高。論文最后通過測量MST裝置穩(wěn)定殼上渦流擾動的時空分布,分析了發(fā)電機現(xiàn)象的三維演化特征。觀測結(jié)果表明,鋸齒的發(fā)展與崩塌過程均呈環(huán)向不對稱的三維結(jié)構(gòu)。在鋸齒崩塌之前,渦流擾動的空間分布具有明顯的環(huán)向不對稱性,該不對稱性表現(xiàn)為在(1,6)撕裂模上的局域空間幅度調(diào)制,并在環(huán)向上呈倒鐘型包絡結(jié)構(gòu)。隨著該包絡幅度的逐漸增加,沿環(huán)向旋轉(zhuǎn)的包絡開始減速,此后(1,6)撕裂模也隨之降低旋轉(zhuǎn)速度,但包絡減速時刻先于(1,6)模。利用渦流復信號研究磁流體模式的波數(shù)譜展寬,分析出其譜展寬在鋸齒崩塌前存在一個極大值點,并將該時刻定義為鋸齒崩塌的起始時刻。統(tǒng)計匯總起始時刻及其前后包絡和不穩(wěn)定性的幅度信息,觀測到包絡幅度在崩塌起始點變化不大,而在此前后幅度變化明顯。與此對應的是,不穩(wěn)定性幅度在起始時刻前后變化不顯著。由此給出,包絡幅值在鋸齒崩塌起始點存在一閾值效應,而不穩(wěn)定性幅度無此效應。綜合OPCD調(diào)制鋸齒崩塌夾帶效應的(F,(?))參數(shù)相圖的統(tǒng)計結(jié)果,以及渦流時空演化特征,可以給出撕裂�？臻g幅度調(diào)制是引發(fā)鋸齒崩塌的先兆原因,在等離子體達到穩(wěn)定區(qū)域邊界的前提下,包絡幅度增加至閾值則是鋸齒崩塌的觸發(fā)機制。
【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】：TM31
【部分圖文】：

就能得到所需的反應速率。由于聚變反應通常只發(fā)生在極高的溫度下，逡逑所以也稱聚變反應為熱核反應，聚變反應物所處的狀態(tài)即為等離子體態(tài)。不同逡逑反應物在不同溫度下的反應速率也有所區(qū)別，圖１．２中給出了幾種聚變反應的反逡逑應截面ａ以及反應速率系數(shù)＜邐＞隨溫度變化的曲線［２］，其中反應速率系數(shù)逡逑＜邋ｃｎ；邋＞為反應截面ａ與粒子間相對速度的乘積在麥克斯韋速度分布下的平均逡逑２逡逑

２００５邐２０１０邐２０邋丨邋５邐２０２０邐２０ｔ＊？邐２０－＾０邐２０１５邐２０４０邋：ＩＨ：Ｓ邋１０５０逡逑ＭＣｏａｌ邋ＢＯｉｌ邋ＯＣａ．％邋ＱＮｕｒｌｃａｒ邋■ＲｅｉＭ＇Ｗｄｈｌｅ逡逑圖１．１邋２０５０年之前全世界對能源需求及組成部分預計，摘自【１］逡逑同位素l#。第四種使用l#和氦的同位素３ｉ／ｅ為燃料。最后一種稱為Ｔ－Ｔ反應，逡逑自然界中不存在氚，人工制取成本昂貴，較少選用Ｔ－Ｔ反應作為聚變堆的主要逡逑反應形式。逡逑Ｄ邋＋邋Ｄ邋－＾３Ｈｅ邋＋邋ｎ邋＋邋３．３ＭｅＶ逡逑Ｄ邋＋邋Ｄ－＾Ｔ邋＋邋ｐ邋＋邋４．０ＭｅＶ逡逑Ｄ邋＋邋Ｔ邋＾ＡＨｅ邋＋邋ｎ邋＋邋１７．６ＭｅＶ邐（１．１）逡逑Ｄ邋＋邋３Ｈｅ＾４Ｈｅ邋＋邋ｐ邋＋邋１８．３ＭｅＶ逡逑Ｔ邋＋邋Ｔ邋＾４Ｈｅ邋＋邋２ｎ＋邋１１．３ＭｅＶ逡逑實現(xiàn)上述的核聚變反應需要使原子核間的距離達到ｌ0－１５ｍ，核力才能夠發(fā)逡逑生作用，從而將兩個原子核融合。但是帶正電的原子核間具有很強的庫侖勢壘，逡逑會阻止原子核彼此靠近。若使兩個原子核具有極高的運動速度后再發(fā)生相互碰逡逑撞，這有可能克服彼此間的庫侖勢壘而產(chǎn)生聚變反應。如何在足夠長的約束時逡逑間內(nèi)，克服原子核間的庫侖斥力而產(chǎn)生足夠速率的聚變反應，正是核聚變領域逡逑的根本難題。通過加速器對原子核進行加速，可使其達到核聚變反應所需的動逡逑能。但是讓原子核發(fā)生對心碰撞的難度極大

現(xiàn)聚變堆最有希望的方式，按照磁場分布又主要分為托卡馬克（Ｔｏｋａｍａｋ）邋［５］、逡逑仿星器（Ｓｔｅｌｌａｒａｔｏｒ）邋［６］和反場箍縮（Ｒｅｖｅｒｓｅｄ邋Ｆｉｅｌｄ邋Ｐｉｎｃｈ，ＲＦＰ）邋［７］三種磁約逡逑束位形，其各自的位形示意圖如圖１．３所示。逡逑這三種位形各有優(yōu)缺點，當今磁約束核聚變研究的主流主要集中于托卡逡逑馬克裝置，其等離子體約束狀態(tài)最為理想。托卡馬克的名稱Ｔｏｋａｍａｋ選自于逡逑幾個俄文詞環(huán)形（ｔｏｒｏｉｄａｌ）、真空室（ｋａｍｅｒａ）、磁（ｍａｇｎｅｔ）、線圈（ｋｏｔｕｓｈｋａ）的字逡逑頭，其概念由蘇聯(lián)科學家于１９５１年提出。托卡馬克位形的主要特點是環(huán)向縱逡逑場遠大于極向磁場，等離子體壓強適中，且電流相對較小。在托卡馬克上實現(xiàn)逡逑的高約束運行模式（Ｈ－ｍｏｄｅ）可以顯著增強等離子體約束，相較于低約束模式逡逑（Ｌ－ｍｏｄｅ）能量約束時間提升了邋２－３倍，這大大降低了下一代磁約束聚變實驗逡逑裝置和將來的聚變示范反應堆的尺寸參數(shù)和相應造價。目前觸發(fā)Ｈ模的物理機逡逑制、Ｌ－Ｈ模轉(zhuǎn)換機理、臺基區(qū)的形成以及邊緣局域模的驅(qū)動、控制或緩解都是逡逑托卡馬克實驗中的重要研究方向。逡逑仿星器位形因為模擬恒星內(nèi)部持續(xù)不斷的核聚變反應而得名，是一種非軸逡逑對稱的三維磁場位形。仿星器的約束磁場主要由外部線圈電流所維持

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本文編號：2827205