【摘要】：偏濾器靶板的高熱流粒子流問題一直是托卡馬克裝置長脈沖穩(wěn)態(tài)高性能運(yùn)行所需要解決的關(guān)鍵問題之一。EAST在一方面通過升級靶板材料將石墨偏濾器替換為鎢銅偏濾器來顯著增強(qiáng)靶板熱負(fù)荷承受能力,以及采用更先進(jìn)的偏濾器位形來降低靶板的垂直熱流;另一方面,通過輻射偏濾器將等離子體的能量以輻射方式排出以降低靶板熱負(fù)荷,或通過外加擾動場改變邊界磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),從而降低靶板區(qū)域峰值熱流等。一般認(rèn)為,由低雜波(LHW)或共振磁擾動線圈(RMP)引起的邊界磁擾動能夠在X點(diǎn)附近形成磁通管直接連接到偏濾器靶板上,從而在原打擊點(diǎn)附近產(chǎn)生額外的一個(gè)甚至多個(gè)粒子沉積區(qū)域,從而增加了靶板上等離子體熱流粒子流的排出途徑,分擔(dān)原打擊點(diǎn)位置的熱負(fù)荷。本論文的研究成果依托EAST托卡馬克裝置,主要針對低雜波引起的邊界磁擾動對靶板粒子和熱流的三維分布的影響,以及低雜波/RMP條件下雜質(zhì)充氣對靶板粒子和熱流的三維分布的影響進(jìn)行研究。具體包含以下內(nèi)容:(1)系統(tǒng)研究EAST超導(dǎo)托卡馬克裝置上LHW引起的偏濾器靶板上的三維粒子沉積現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)主打擊點(diǎn)附近的條紋狀分布的粒子通量(SPF)在不同安全因子q95條件下對應(yīng)不同的邊界磁力線分布,和磁力線追蹤程序所模擬的結(jié)果一致。該模擬結(jié)果引入了刮削層(SOL)中LHW產(chǎn)生的螺旋狀電流絲(HCFs)所引起邊界磁擾動。除了L模放電之外,低雜波引起的靶板粒子和熱流撕裂現(xiàn)象在H模放電中也同樣出現(xiàn),這對于降低打擊點(diǎn)位置的靶板峰值熱流和材料腐蝕起到十分重要的作用,同時(shí)也是EAST最近實(shí)現(xiàn)100 s長脈沖穩(wěn)態(tài)H模的有力保障。(2)靶板上的三維粒子分布受低雜波加熱功率,等離子體密度,磁場方向等參數(shù)影響。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,三維的靶板打擊點(diǎn)撕裂現(xiàn)象出現(xiàn)一般和低雜波的功率閾值有關(guān)(PLHW～0.9 MW)。上外靶板的次打擊點(diǎn)與主打擊點(diǎn)粒子通量之比Γion,SHF/Γion,OSP隨著低雜波功率的增加而上升。在等離子體密度到達(dá)脫靶閾值附近時(shí),外靶板打擊點(diǎn)附近的粒子通量降低,但是次打擊點(diǎn)的粒子通量卻持續(xù)上升,這一點(diǎn)和其他裝置上的RMP條件下的等離子體脫靶實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所不同。另外,在順場和反場條件下,低雜波加熱對內(nèi)靶板和外靶板的三維粒子分布也呈現(xiàn)出內(nèi)外不對稱性的現(xiàn)象。(3)在LHW或RMP引起的三維磁擾動條件下,進(jìn)一步研究了雜質(zhì)注入對于主動控制W偏濾器靶板上的熱流和粒子通量的影響,以及靶板W材料的腐蝕問題。通過EAST上的neon雜質(zhì)注入實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其對于主動控制靶板3D粒子流和熱流具有重要的意義。在LHW條件下,neon雜質(zhì)注入能顯著降低主打擊點(diǎn)處的熱流和粒子流,同時(shí)能夠影響到遠(yuǎn)SOL的撕裂帶處的三維粒子分布。(4)在RMP條件下neon雜質(zhì)注入同樣能夠影響SPF的三維粒子沉積。通過適量的neon雜質(zhì)注入或?qū)崟r(shí)鋰粉注入,能夠有效降低靶板附近的電子溫度,從而抑制靶板表面的W雜質(zhì)濺射,有利于托卡馬克裝置的長脈沖穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。同時(shí),如果注入極少量的neon,由于靶板附近電子溫度未被充分降低(一般是降低到濺射閾值以下),從而使得靶板W雜質(zhì)濺射反而有所上升。本論文所進(jìn)行的部分工作不僅提供了 LHW引起的邊界三維粒子沉積的直接證據(jù)(以及模擬驗(yàn)證)和LHW條件下不同等離子體參數(shù)對靶板三維粒子分布的影響,同時(shí)還探究了LHW/RMP引起的邊界磁擾動條件下,結(jié)合雜質(zhì)注入對偏濾器靶板上的三維熱流和粒子流分布的影響。這對于未來聚變裝置上的偏濾器靶板熱流和粒子流控制具有重要意義。
【圖文】：

量各不相同，其反應(yīng)截面也不一樣。反應(yīng)截面代表目標(biāo)材料與入射粒子之間發(fā)生逡逑聚變反應(yīng)概率的物理量［５］。比較典型的幾種聚變反應(yīng)為例，其反應(yīng)截面與粒子逡逑能量對應(yīng)關(guān)系見圖１．１邋［５］。逡逑１０邐Ｊ邋－４邋４４１邐ｌ邋Ｉ邋＾＋１逡逑１邋＾￡邋＝邋５￥｜＾￡邐ｒ逡逑邐１－邋＝邋＝邋７Ｓ邋—ｔ邐：：－邋＝邋２邋Ｅ邋！邋Ｈ逡逑：／：邋／／ＴＶ邋．逡逑ｉｌｉｎＳ逡逑ｉ１０邋ｌｎＢ｜Ｌ�。穑簦铮湾澹椋踢姡斟澹颍蓿恚耄翦义希桑浚姡哼姟澹簦孢奛以逡逑ｒｆ邋ｉＢｌｉＦ逡逑１邐１０邐１００邐１０００邐１０４ＫＷ逡逑ｌｎｃｉｔｆ＊ｎｌ邋Ｐａｒｔｉｄ＊邋Ｋｉｎ？ｔｉｃ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋（ｋ？Ｖ）逡逑圖１．１典型的幾種聚變反應(yīng)的反應(yīng)截面與粒子動能關(guān)系圖逡逑由圖可知，氘氚反應(yīng)的最大反應(yīng)截面所對應(yīng)的粒子能量閾值在所有聚變反應(yīng)逡逑中最低，且該反應(yīng)截面也是最大，，因而從可行性來分析，是目前理論上最容易實(shí)逡逑現(xiàn)的。這一反應(yīng)過程示意圖如圖１．２所示［５］。逡逑２逡逑

量各不相同，其反應(yīng)截面也不一樣。反應(yīng)截面代表目標(biāo)材料與入射粒子之間發(fā)生逡逑聚變反應(yīng)概率的物理量［５］。比較典型的幾種聚變反應(yīng)為例，其反應(yīng)截面與粒子逡逑能量對應(yīng)關(guān)系見圖１．１邋［５］。逡逑１０邐Ｊ邋－４邋４４１邐ｌ邋Ｉ邋＾＋１逡逑１邋＾￡邋＝邋５￥｜＾￡邐ｒ逡逑邐１－邋＝邋＝邋７Ｓ邋—ｔ邐：：－邋＝邋２邋Ｅ邋！邋Ｈ逡逑：／：邋／／ＴＶ邋．逡逑ｉｌｉｎＳ逡逑ｉ１０邋ｌｎＢ｜Ｌ�。穑簦铮湾澹椋踢姡斟澹颍蓿恚耄翦义希桑浚姡哼姟澹簦孢奛以逡逑ｒｆ邋ｉＢｌｉＦ逡逑１邐１０邐１００邐１０００邐１０４ＫＷ逡逑ｌｎｃｉｔｆ＊ｎｌ邋Ｐａｒｔｉｄ＊邋Ｋｉｎ？ｔｉｃ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋（ｋ？Ｖ）逡逑圖１．１典型的幾種聚變反應(yīng)的反應(yīng)截面與粒子動能關(guān)系圖逡逑由圖可知，氘氚反應(yīng)的最大反應(yīng)截面所對應(yīng)的粒子能量閾值在所有聚變反應(yīng)逡逑中最低，且該反應(yīng)截面也是最大，因而從可行性來分析，是目前理論上最容易實(shí)逡逑現(xiàn)的。這一反應(yīng)過程示意圖如圖１．２所示［５］。逡逑２逡逑
【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

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