【摘要】：托卡馬克是研究核聚變的主要裝置類型之一,里面發(fā)生核聚變的主體是高溫等離子體,而聚變反應(yīng)的產(chǎn)物之一是高能量α粒子;此外輔助加熱,包括低雜波、電子回旋、離子回旋和中性束加熱也會引入大量高能量電子和離子(這里的高能是相對于背景等離子體的溫度而言),這些高能量粒子會驅(qū)動等離子體的一種基本本征模叫阿芬本征模,阿芬本征模會反過來影響高能粒子的軌道和約束,因此在現(xiàn)有的裝置上研究和預(yù)測這些高能粒子與阿芬模的相互作用十分重要,同時由于阿芬波在未來的聚變堆里難以避免,因此發(fā)展有效的工具控制阿芬波在一定的范圍內(nèi),減少阿芬波的負(fù)面效應(yīng),對于聚變反應(yīng)堆的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行有重要意義。本論文的研究工作的創(chuàng)新性是首次研究在EAST的穩(wěn)態(tài)長脈沖等離子體低雜波加熱條件下觀察到的快電子驅(qū)動的阿芬波,以及在DⅢ-D上建立了第一個阿芬波反饋控制系統(tǒng),兩部分內(nèi)容摘要如下:(1)對EAST等離子體在低雜波加熱條件下對阿芬波實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的研究:[ⅰ]通過觀察2015年到2016年期間的放電數(shù)據(jù),用磁探針的頻譜發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)炮在放電過程中經(jīng)常出現(xiàn)頻率范圍為100-450 kHz的擾動模,分析單次放電數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)模的頻率演化與電子的密度平方根和安全因子成反比關(guān)系,即f∝1/(?)和f∝1/q_95,若對不同的放電炮的的統(tǒng)計會發(fā)現(xiàn)f∝vA/(4πq95),這里的vA是等離子體的阿芬速度,根據(jù)以上性質(zhì)推測這些模屬于阿芬模(AE);[ⅱ]再結(jié)合GTAW程序計算的阿芬波連續(xù)譜和連續(xù)譜間隙(gap)判斷,這些模的頻率處于TAE和EAE的頻率范圍;[ⅲ]更進(jìn)一步用GENRAY-CQL3D程序計算的結(jié)果表明,低雜波加熱產(chǎn)生了高能電子,能量為12—300 keV的穿行電子、淺捕獲電子和深捕獲電子都能與等離子體中的AE發(fā)生共振,而低雜波功率的不均勻沉積、導(dǎo)致高能電子分布函數(shù)發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn),驅(qū)動了AE不穩(wěn)定性;[ⅳ]最后對數(shù)百炮的統(tǒng)計結(jié)果顯示AE出現(xiàn)的情形通常是,低雜波功率高于1MW,同時等離子體密度低于3 × 10~19m~(-3).(2)在DⅢ-D托卡馬克裝置上對AE的主動控制實(shí)驗(yàn):通過實(shí)時ECE診斷,可以實(shí)時測量從邊界到芯部的AE的幅度和頻率,在此基礎(chǔ)上建立了第一個AE控制回路系統(tǒng),通過測試不同的控制器,實(shí)驗(yàn)可以分為兩個部分,[ⅰ]用NBI對AE整體幅度和局部幅度進(jìn)行反饋和前饋開環(huán)控制,[ⅱ]ECH對阿芬模的前饋開環(huán)控制;[ⅰ]的控制結(jié)果表明ECE對AE的實(shí)時測量能被用來作為有效的AE反饋控制系統(tǒng)的輸入信號,在0-8 MW的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)NBI功率,AE的擾動幅度能控制在目標(biāo)值附近,因此NBI能被用來作為未來聚變堆里的局部或者整體AE的候選控制器;而[ⅱ]的控制結(jié)果表明注入q_min附近的ECH對AE有顯著影響,但是與NBI相比,ECH的控制結(jié)果更加復(fù)雜,涉及到的物理演化過程需要另外的更詳細(xì)的物理實(shí)驗(yàn)去探究清楚;除此之外,用TRANSP程序計算的中子產(chǎn)率和測量的中子產(chǎn)率相比較,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的中子損失率隨AE的幅度同步變化,因此中子產(chǎn)率也可以用來表征AE幅度;將來升級AE控制系統(tǒng)的時候如果有能迅速計算中子產(chǎn)率的方法,就能將其運(yùn)用到AE控制器;本論文還嘗試了用零維模型去計算中子產(chǎn)率,但是與經(jīng)典TRANSP模型計算的結(jié)果相比,零維模型的計算結(jié)果并不是很準(zhǔn)確,因此更準(zhǔn)確的同時更快速的計算模型才能滿足控制的需求。論文最后討論了AE研究的熱點(diǎn)問題,比如DⅢ-D穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下的AE的性質(zhì),AE的非線性現(xiàn)象等;還討論了AE控制系統(tǒng)升級的幾點(diǎn)展望,比如用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和簡化的解析模型實(shí)時計算中子產(chǎn)率,與診斷測量的中子產(chǎn)率作對比計算中子損失率,作為升級后的反饋控制系統(tǒng)的第二個受控對象,和DⅢ-D對穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時期的AE的主動控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計,以及中性束能量調(diào)制作為新的控制器等。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TL631.24;O53

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