【摘要】：仿星器和托卡馬克是磁約束聚變的兩種主要裝置,而目前世界上最先進(jìn)的仿星器當(dāng)屬德國的Wendelstein 7-X(W7-X)。與之前的傳統(tǒng)仿星器相比,W7-X有著更加優(yōu)化的磁場(chǎng)位形,不僅能夠更好的在聚變參數(shù)下約束阿爾法粒子,還能有效的控制由于螺旋場(chǎng)波紋度引起的新經(jīng)典輸運(yùn)。托卡馬克中,通常使用極向偏濾器來進(jìn)行排雜和排熱。W7-X通過在邊界產(chǎn)生一個(gè)環(huán)向模數(shù)n=5的磁島鏈,用磁島偏濾器來代替托卡馬克上常用的的極向偏濾器進(jìn)行排雜和排熱。由于磁島內(nèi)的磁力線連接長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于托卡馬克刮削層內(nèi)的磁力線連接長(zhǎng)度,相比托卡馬克而言有著更長(zhǎng)的刮削層寬度(熱流衰減長(zhǎng)度),因此磁島偏濾器位形在排熱方面具有天然的優(yōu)勢(shì)。作為刮削層特征參數(shù)之一的熱流衰減長(zhǎng)度,直接影響了偏濾器靶板上濕區(qū)面積的大小。研究磁島偏濾器位形下的刮削層特性,對(duì)了解磁島偏濾器性能,評(píng)估磁島偏濾器運(yùn)行區(qū)間都大有裨益。W7-X上安裝了一個(gè)多功能操作臂作為探針的運(yùn)載系統(tǒng),能夠穿過邊界磁島將探針打入等離子體內(nèi)部,從而對(duì)刮削層和邊界區(qū)域的物理參數(shù),如電子密度剖面,溫度剖面,等離子體流速剖面和湍流特性等進(jìn)行測(cè)量。本論文中,詳細(xì)介紹了 W7-X上多通道馬赫探針系統(tǒng)的研制以及搭建過程。馬赫探針是用來測(cè)量等離子體中離子飽和流的定向靜電探針,工作原理是利用上流和下流測(cè)得的離子飽和流的不對(duì)稱性來計(jì)算等離子體的流速。使用多通道馬赫探針系統(tǒng),首次同時(shí)測(cè)得了W7-X上垂直和平行方向的等離子體流速。并且借助馬赫探針系統(tǒng)上的徑向陣列,觀測(cè)到了一支主頻率在1kHz左右,以200m/s的徑向速度向外傳播的低頻模式,使用W7-X上的復(fù)合探針系統(tǒng)上的四探針,本文還研究了不同位形和放電參數(shù)下,三維磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)刮削層內(nèi)電子溫度剖面,電子密度剖面和刮削層特征寬度的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),熱流衰減長(zhǎng)度與刮削層內(nèi)的磁力線的連接長(zhǎng)度正相關(guān)。刮削層內(nèi)磁力線連接長(zhǎng)度大于250米的低iota位形和標(biāo)準(zhǔn)位形下的衰減長(zhǎng)度,明顯要大于刮削層內(nèi)磁力線連接長(zhǎng)度小于100米的高iota位形和限制器位形下的衰減長(zhǎng)度。其中,標(biāo)準(zhǔn)位形下的熱流衰減長(zhǎng)度由于受到磁島撫平作用的影響,相比于低iota位形也得到了相應(yīng)的延長(zhǎng)。論文的最后,對(duì)仿星器和托卡馬克上的邊界局域模的理論模型進(jìn)行了一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。其中,托卡馬克上的邊界局域模通常用氣球-剝離模型來描述,而仿星器上的邊界局域模通常認(rèn)為是由于內(nèi)交換模觸發(fā)的不穩(wěn)定性。針對(duì)托卡馬克上的邊界局域模,本文使用了電流弛豫模型對(duì)EAST上的邊界局域模的頻率分布進(jìn)行了預(yù)測(cè)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),在邊界電流密度比較大的情形下,ELM的頻率分布會(huì)趨于一個(gè)單峰的分布;而在邊界電流密度比較小的情況下,ELM的頻率分布更趨向多峰的分布。
【圖文】：

一，子位形，保證等離子體既可以長(zhǎng)時(shí)間的沿磁力線運(yùn)動(dòng)，又要減弱各種由于碰撞產(chǎn)生的垂直磁面的徑向輸運(yùn)。根據(jù)外部磁場(chǎng)的產(chǎn)生方式，磁約束核又分為兩種類型：托卡馬克和仿星器。兩者的最大區(qū)別就是托卡馬克的，主要是由外部線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加自身電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)；而仿星器的則全部由外部線圈產(chǎn)生。逡逑１托卡馬克和丨ＴＥＲ逡逑托卡馬克是目前世界主流的磁約束聚變裝置類型之一，也是國際熱核聚應(yīng)堆（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｔｈｅｒｍｏｎｕｃｌｅａｒ邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋Ｒｅａｃｔｏｒ：邋ＩＴＥＲ）邋［７］采用聚變類型。Ｔｏｋａｍａｋ—詞，來源于俄羅斯語，本意是有著磁線圈的環(huán)形托卡馬克的主要磁場(chǎng)位形，主要由環(huán)向磁場(chǎng)和極向磁場(chǎng)構(gòu)成。其中，環(huán)組平面線圈提供，可以產(chǎn)生數(shù)特斯拉量級(jí)的環(huán)向磁場(chǎng)。對(duì)于圓截面的托主要由環(huán)線圈提供，對(duì)于非圓截面的托卡馬克，，則有矩形線圈或者Ｄ形提供。逡逑

早的幾個(gè)仿星器裝置由普林斯頓等離子體研究所建造，其中最大的仿ａｒａｔｏｒ也由于磁場(chǎng)線圈加工的不精確而失敗，最后改造成了托卡馬克裝示了，仿星器線圈的設(shè)計(jì)及加工的過大難度嚴(yán)重阻礙了仿星器的發(fā)展�？R克相比，仿星器的約束性能也不容樂觀，因此在競(jìng)爭(zhēng)中逐漸落入下世紀(jì)７０－８０年代沉寂了一段時(shí)間。逡逑Ｖａｃｕｕｍ邋ｔｕｔ＞ｅ邐Ｈｅｌｌｃａｔ邋ｗｉｎｄｉｎｇｓ逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TL631

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本文編號(hào)：2639177