發(fā)布時(shí)間：2020-06-19 16:38

【摘要】：邊界局域模(ELM)控制是ITER及未來(lái)磁約束聚變堆安全運(yùn)行必須解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。大量實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)證實(shí)外加磁擾動(dòng)能可靠地控制ELM。相比于外加高環(huán)向模數(shù)(n)磁擾動(dòng),低n磁擾動(dòng)可以由布置于托卡馬克真空室外的鞍形線圈產(chǎn)生,在安裝、運(yùn)行與維護(hù)等方面比內(nèi)部線圈更加方便、可靠,更適合應(yīng)用于聚變堆。但是,將低《磁擾動(dòng)用于控制ELM時(shí),其低極向模數(shù)(m)的共振分量對(duì)于芯部磁流體不穩(wěn)定性的影響較大,可能在芯部形成鎖模磁島,降低等離子體約束性能甚至導(dǎo)致大破裂。研究等離子體對(duì)低n磁擾動(dòng)的響應(yīng),對(duì)于利用低n磁擾動(dòng)可靠控制ELM,避免其對(duì)芯部磁流體不穩(wěn)定性的不利影響,補(bǔ)償誤差場(chǎng)等多個(gè)方面都具有重要的意義。本論文在J-TEXT和ASDEX Upgrade托卡馬克上分別開(kāi)展了等離子體對(duì)外加低環(huán)向模數(shù)磁擾動(dòng)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。在J-TEXT無(wú)撕裂模的等離子體中,觀察到等離子體對(duì)外加m/n=2/1的共振磁擾動(dòng)(RMP)呈現(xiàn)兩種不同特征的響應(yīng),即屏蔽響應(yīng)和穿透響應(yīng)。當(dāng)外加RMP幅度較小時(shí),等離子體磁響應(yīng)的相位與RMP相位相反,響應(yīng)幅度隨RMP強(qiáng)度線性增加,反映了共振面對(duì)RMP的屏蔽效應(yīng)。當(dāng)外加RMP強(qiáng)度超過(guò)特定閾值時(shí),磁響應(yīng)幅度會(huì)迅速增加,其相位快速變化到接近與RMP相位同相。這表明等離子體由屏蔽RMP變?yōu)榉糯驲MP,RMP穿透共振面,并激發(fā)了大的鎖模磁島。在穿透過(guò)程中,等離子體環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)快速變化,鋸齒振蕩消失,芯部密度和溫度大幅下降。統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)了RMP穿透閾值正比于電子密度的0.5次方。當(dāng)存在2/1鎖模時(shí),通過(guò)實(shí)驗(yàn)、唯象模型和非線性模擬三種途徑,全面地研究了等離子體對(duì)高頻轉(zhuǎn)動(dòng)2/1 RMP的響應(yīng),證實(shí)了由轉(zhuǎn)動(dòng)RMP驅(qū)動(dòng)的鎖模相位受迫振蕩。在實(shí)驗(yàn)中,等離子體磁響應(yīng)呈現(xiàn)出類似駐波的特征,且駐波的節(jié)點(diǎn)位于2/1鎖模的O點(diǎn)和X點(diǎn)附近。在2/1鎖模內(nèi)部或O點(diǎn)、X點(diǎn)附近的電子溫度響應(yīng)幾乎為零或者為最小值。這些特征和無(wú)撕裂模時(shí)的屏蔽響應(yīng)差異極大,暗示其激發(fā)機(jī)制不同于單純的屏蔽響應(yīng)。在唯象模型方面,提出了轉(zhuǎn)動(dòng)RMP通過(guò)給鎖模施加周期性電磁力矩而驅(qū)動(dòng)鎖模相位振蕩。該模型表明駐波型響應(yīng)主要由鎖模相位振蕩與等離子體參數(shù)的極向梯度共同導(dǎo)致,成功地解釋了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的響應(yīng)特征。非線性模擬的結(jié)果證實(shí)了鎖模相位的受迫振蕩,并且定性地驗(yàn)證了唯象模型所預(yù)測(cè)的等離子體響應(yīng)、鎖模相位振蕩和轉(zhuǎn)動(dòng)RMP三者在幅度和相位上的相互依賴關(guān)系。在ASDEX Upgrade上發(fā)現(xiàn)了高約束模等離子體對(duì)外加磁擾動(dòng)存在兩個(gè)時(shí)間尺度的響應(yīng)。利用外加轉(zhuǎn)動(dòng)的n = 2磁擾動(dòng),觀察到等離子體在ELM崩塌間隙的慢尺度磁響應(yīng)。該響應(yīng)具有以n= 2為主導(dǎo)的環(huán)向結(jié)構(gòu),且其幅度受外加磁擾動(dòng)譜結(jié)構(gòu)的影響。在高場(chǎng)側(cè)和低場(chǎng)側(cè)觀察到了不同的響應(yīng)特征,暗示存在多種模數(shù)的等離子體響應(yīng),且高場(chǎng)側(cè)響應(yīng)與ELM緩解關(guān)系可能更為密切。利用外加n=1磁擾動(dòng),還觀察到在ELM崩塌過(guò)程中的快時(shí)間尺度響應(yīng),即首次發(fā)現(xiàn)了 ELM崩塌激發(fā)模結(jié)構(gòu)被外加磁擾動(dòng)顯著影響。在沒(méi)有外加磁擾動(dòng)時(shí),ELM激發(fā)模結(jié)構(gòu)的相位呈現(xiàn)隨機(jī)分布。但是,當(dāng)外加n= 1磁擾動(dòng)時(shí),ELM激發(fā)模結(jié)構(gòu)的相位被鎖在某個(gè)依賴于外加磁擾動(dòng)相位的固定值上。此外,還觀察到了n= 1磁擾動(dòng)對(duì)ELM崩塌期間邊界AXUV輻射環(huán)向不對(duì)稱性的影響。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TL631.24
【圖文】：

１．２巧卡馬克裝置逡逑托卡馬克是一類利用磁場(chǎng)來(lái)約束高溫等離子體的環(huán)形裝置，主要包括真空室和逡逑產(chǎn)生約束磁場(chǎng)的各類磁體線圈。圖１－１展示了托卡馬克的典型磁體結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)位型。逡逑等離子體由環(huán)向磁場(chǎng)公Ｔ和極向磁場(chǎng)公Ｐ合成的螺旋形磁場(chǎng)約束。其中，公Ｔ由環(huán)向場(chǎng)逡逑線圈產(chǎn)生，而公Ｐ主要由沿環(huán)向的等離子體電流／ｐ產(chǎn)生。在早期托卡馬克中，７ｐ是由逡逑歐姆場(chǎng)線圈電流變化所感應(yīng)的環(huán)向電場(chǎng)產(chǎn)生并維持的。如果沒(méi)有極向磁場(chǎng)，真空室逡逑中的等離子體會(huì)因環(huán)向磁場(chǎng)的曲率和梯度漂移而發(fā)生電荷分離，進(jìn)而產(chǎn)生豎直方向逡逑的電場(chǎng)。等離子體在該電場(chǎng)與環(huán)向磁場(chǎng)的作用下，會(huì)通過(guò)電漂移而快速損失，使得逡逑單純的環(huán)向磁場(chǎng)約束性能很差。通過(guò)／ｐ引入的極向磁場(chǎng)，中和了由磁場(chǎng)曲率和梯度逡逑漂移帶來(lái)的電荷分離，因而具有很好的約束性能。等離子體電流也有加熱等離子體逡逑的作用。此外

離子體邊界的一種ＭＨＤ不穩(wěn)定性。Ｈ模最早發(fā)現(xiàn)于德國(guó)ＡＳＤＥＸ托卡馬克ｔＷ，其最逡逑顯著的特征是形成了等離子體邊界輸運(yùn)壘，并在邊界出現(xiàn)一個(gè)有很大壓強(qiáng)梯度的區(qū)逡逑域，即臺(tái)基區(qū)（ｐｅｄｅｓｔａｌ），如圖１－３所示［２２Ｌ邋Ｈ模等離子體的能量約束時(shí)間比低約逡逑束模（Ｌ模）提升了約２倍，因而非常有利于發(fā)展更加經(jīng)濟(jì)的磁約束聚變堆。ＩＴＥＲ逡逑己經(jīng)把Ｈ模等離子體選為其標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行方案。但是，當(dāng)Ｈ模等離子體邊界睹峭的壓強(qiáng)逡逑梯度及其驅(qū)動(dòng)的臺(tái)基區(qū)自舉電流密度超過(guò)某個(gè)閩值時(shí)，會(huì)驅(qū)動(dòng)一種ＭＨＤ不穩(wěn)定性，逡逑即邊界局域模（ＥＬＭ）。逡逑在常見(jiàn)的Ｈ模等離子體中，ＥＬＭＳ重復(fù)地出現(xiàn)，并導(dǎo)致邊界臺(tái)基區(qū)在數(shù)百微巧逡逑內(nèi)崩塌到一個(gè)較低的壓強(qiáng)梯度態(tài)（圖１－３黑色虛線）。這種崩塌會(huì)將大量的熱和粒逡逑子從閉合磁面Ｗ內(nèi)排出到ＰＦＣ，隨后邊界臺(tái)基區(qū)緩慢恢復(fù)到具有陡峭梯度的狀態(tài)，逡逑然后激發(fā)下一次ＥＬＭ崩塌，如圖１－３所示。每個(gè)ＥＬＭ會(huì)在Ｄａ福射信號(hào)上產(chǎn)生一個(gè)逡逑脈沖型的增加。Ｄａ信號(hào)的X椉穎礱鞅囈繚傺吩黽櫻⒖桑妝蛔魑蚰詰牧Ｗ油垮義系牟飭�。ＥＬＭ崩塌噎h(huán)矯婊岬賈攏校疲檬艿醬蠓鵲腦萏群土Ｗ癰漢

本文編號(hào)：2721062