發(fā)電機(jī)效應(yīng)是一種普遍存在于自然界與實(shí)驗(yàn)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(jī)效應(yīng),且富含各種不同驅(qū)動(dòng)機(jī)制的發(fā)電機(jī)現(xiàn)象。發(fā)電機(jī)效應(yīng)是磁場自組織現(xiàn)象的基礎(chǔ)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(guān)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(guān),渦流時(shí)空分布的研究可以促進(jìn)對等離子體平衡、破裂與三維擾動(dòng)磁場等物理機(jī)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(jī)效應(yīng),擺脫了發(fā)電機(jī)現(xiàn)象空間隨機(jī)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(jī)效應(yīng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢。論文首先詳細(xì)介紹了科大一環(huán)裝置(Keda Torus eXperiment,KTX)的復(fù)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(shí)現(xiàn)的診斷技術(shù)。渦流探針陣列具有測量精度高、覆蓋等離子體閉合邊界、實(shí)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(diǎn),適用于環(huán)形等離子體三維物理的實(shí)驗(yàn)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(biāo)定、模型驗(yàn)證以及平臺(tái)上的測試進(jìn)行了介紹。利用渦流探針陣列給出了KTX裝置放電期間,復(fù)合殼上渦流幅度與角度的時(shí)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(yīng)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(dòng)控制等多個(gè)方面。而后利用極向振蕩電流驅(qū)動(dòng)(Oscillating Poloidal Current Drive,OPCD)技術(shù)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(jī)現(xiàn)象的夾帶效應(yīng)和離子加熱的影響。OPCD可以調(diào)制反場箍縮中的磁場擾動(dòng)以及弛豫行為,常規(guī)放電中隨機(jī)發(fā)生的鋸齒會(huì)在OPCD調(diào)制下爆發(fā)時(shí)序呈規(guī)律變化,只在振蕩周期中的特定時(shí)刻重復(fù)發(fā)生。OPCD雖能將鋸齒崩塌時(shí)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(jī)性。通過改變不同的振蕩參數(shù),給出了鋸齒夾帶效應(yīng)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(guān)系。之后,從平衡參數(shù)演化和相應(yīng)的磁流體力學(xué)行為來分析OPCD周期性調(diào)制鋸齒行為的機(jī)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(dòng)的時(shí)空分布,分析了發(fā)電機(jī)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(dòng)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(luò)結(jié)構(gòu)。隨著該包絡(luò)幅度的逐漸增加,沿環(huán)向旋轉(zhuǎn)的包絡(luò)開始減速,此后(1,6)撕裂模也隨之降低旋轉(zhuǎn)速度,但包絡(luò)減速時(shí)刻先于(1,6)模。利用渦流復(fù)信號(hào)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(gè)極大值點(diǎn),并將該時(shí)刻定義為鋸齒崩塌的起始時(shí)刻。統(tǒng)計(jì)匯總起始時(shí)刻及其前后包絡(luò)和不穩(wěn)定性的幅度信息,觀測到包絡(luò)幅度在崩塌起始點(diǎn)變化不大,而在此前后幅度變化明顯。與此對應(yīng)的是,不穩(wěn)定性幅度在起始時(shí)刻前后變化不顯著。由此給出,包絡(luò)幅值在鋸齒崩塌起始點(diǎn)存在一閾值效應(yīng),而不穩(wěn)定性幅度無此效應(yīng)。綜合OPCD調(diào)制鋸齒崩塌夾帶效應(yīng)的(F,(?))參數(shù)相圖的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,以及渦流時(shí)空演化特征,可以給出撕裂模空間幅度調(diào)制是引發(fā)鋸齒崩塌的先兆原因,在等離子體達(dá)到穩(wěn)定區(qū)域邊界的前提下,包絡(luò)幅度增加至閾值則是鋸齒崩塌的觸發(fā)機(jī)制。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM31
【部分圖文】：

就能得到所需的反應(yīng)速率。由于聚變反應(yīng)通常只發(fā)生在極高的溫度下，逡逑所以也稱聚變反應(yīng)為熱核反應(yīng)，聚變反應(yīng)物所處的狀態(tài)即為等離子體態(tài)。不同逡逑反應(yīng)物在不同溫度下的反應(yīng)速率也有所區(qū)別，圖１．２中給出了幾種聚變反應(yīng)的反逡逑應(yīng)截面ａ以及反應(yīng)速率系數(shù)＜邐＞隨溫度變化的曲線［２］，其中反應(yīng)速率系數(shù)逡逑＜邋ｃｎ；邋＞為反應(yīng)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(yù)計(jì)，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(yīng)，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(yīng)作為聚變堆的主要逡逑反應(yīng)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(shí)現(xiàn)上述的核聚變反應(yīng)需要使原子核間的距離達(dá)到ｌ0－１５ｍ，核力才能夠發(fā)逡逑生作用，從而將兩個(gè)原子核融合。但是帶正電的原子核間具有很強(qiáng)的庫侖勢壘，逡逑會(huì)阻止原子核彼此靠近。若使兩個(gè)原子核具有極高的運(yùn)動(dòng)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(yīng)。如何在足夠長的約束時(shí)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(yīng)，正是核聚變領(lǐng)域逡逑的根本難題。通過加速器對原子核進(jìn)行加速，可使其達(dá)到核聚變反應(yīng)所需的動(dòng)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(diǎn)，當(dāng)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(gè)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(xué)家于１９５１年提出。托卡馬克位形的主要特點(diǎn)是環(huán)向縱逡逑場遠(yuǎn)大于極向磁場，等離子體壓強(qiáng)適中，且電流相對較小。在托卡馬克上實(shí)現(xiàn)逡逑的高約束運(yùn)行模式（Ｈ－ｍｏｄｅ）可以顯著增強(qiáng)等離子體約束，相較于低約束模式逡逑（Ｌ－ｍｏｄｅ）能量約束時(shí)間提升了邋２－３倍，這大大降低了下一代磁約束聚變實(shí)驗(yàn)逡逑裝置和將來的聚變示范反應(yīng)堆的尺寸參數(shù)和相應(yīng)造價(jià)。目前觸發(fā)Ｈ模的物理機(jī)逡逑制、Ｌ－Ｈ模轉(zhuǎn)換機(jī)理、臺(tái)基區(qū)的形成以及邊緣局域模的驅(qū)動(dòng)、控制或緩解都是逡逑托卡馬克實(shí)驗(yàn)中的重要研究方向。逡逑仿星器位形因?yàn)槟M恒星內(nèi)部持續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)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(hào)：2827205