【摘要】：托卡馬克,作為一種磁約束可控核聚變裝置,等離子體需要滿足聚變?nèi)胤e才能實(shí)現(xiàn)自持燃燒,為人類所利用。由于托卡馬克自身存在多種宏觀磁流體不穩(wěn)定性或者微觀湍流不穩(wěn)定性,極大地限制了等離子體的約束性能,甚至可能誘發(fā)等離子體大破裂危害裝置安全。在等離子體發(fā)展從低約束L模放電到高約束H模轉(zhuǎn)變時(shí),研究發(fā)現(xiàn)等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)及其剪切可以有效地抑制這些宏觀和微觀不穩(wěn)定性的發(fā)展,維持內(nèi)部輸運(yùn)壘,改善約束性能。轉(zhuǎn)動(dòng)速度的這種特性激發(fā)了我們對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)監(jiān)測(cè)手段以及輸運(yùn)特性的研究。 在目前托卡馬克裝置上,轉(zhuǎn)動(dòng)速度主要來自于外部切向中性束注入所提供的動(dòng)量輸入。中性束與帶電粒子碰撞發(fā)生電荷交換形成高能離子,通過庫倫碰撞將動(dòng)量傳給等離子體。然而對(duì)于ITER裝置,由于要驅(qū)動(dòng)大體積高密度的等離子體中性束注入效率甚低,其能達(dá)到的功率有限而不能滿足ITER的需求。我們只能依靠沒有任何外部動(dòng)量輸入時(shí)的等離子體本征轉(zhuǎn)動(dòng)速度,無論是在純歐姆加熱還是在有波輔助加熱時(shí),實(shí)驗(yàn)上都發(fā)現(xiàn)等離子體能自發(fā)地旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)的輸運(yùn)同粒子和熱輸運(yùn)一樣,是反常的,本征轉(zhuǎn)動(dòng)的大小、方向及其輸運(yùn)特性與多種等離子體參數(shù)都存在密切的聯(lián)系。經(jīng)過十多年的研究,實(shí)驗(yàn)和理論上對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的認(rèn)識(shí)依然未達(dá)成共識(shí),即使是最根本的歐姆等離子體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。本文利用J-TEXT托卡馬克較簡單的等離子體來研究本征轉(zhuǎn)動(dòng)。 為了研究本征轉(zhuǎn)動(dòng)速度,在J-TEXT裝置上研發(fā)一套切向彎晶譜儀系統(tǒng)來測(cè)量芯部環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)速度。通過主動(dòng)注入微量氬氣的方式,彎晶譜儀測(cè)量被動(dòng)類氦氬離子的光譜,有利于本征轉(zhuǎn)動(dòng)的研究。球面彎晶的二維聚焦特性,實(shí)現(xiàn)了對(duì)等離子體的空間分辨測(cè)量。在J-TEXT歐姆等離子體下的測(cè)量由于光通量低的特性,以及實(shí)驗(yàn)高時(shí)間分辨的需求,彎晶譜儀采用一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)和折中考慮,獲得最高時(shí)間分辨為2ms的測(cè)量結(jié)果。彎晶譜儀系統(tǒng)測(cè)量的空間分辨和時(shí)間分辨的電子溫度和離子溫度對(duì)電子密度的關(guān)系,不僅顯示了彎晶譜儀的高測(cè)量精度和測(cè)量準(zhǔn)確度。 基于成熟的轉(zhuǎn)動(dòng)理論,創(chuàng)新地對(duì)彎晶譜儀測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)速度的方向和大小依次進(jìn)行標(biāo)定,然后結(jié)合邊界可見光光柵光譜儀測(cè)量邊界環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng),首次給出J-TEXT歐姆等離子體本征轉(zhuǎn)動(dòng)速度剖面�；诖�,研究外加螺旋場(chǎng)作用下等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)的輸運(yùn)特性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),螺旋場(chǎng)的共振分量起主要作用,螺旋場(chǎng)穿透鎖模發(fā)生在q=2有理面,穿透之后由于模式耦合產(chǎn)生的電磁力使邊界和中心的轉(zhuǎn)動(dòng)速度幾乎同時(shí)朝電流方向加速,并在能量約束時(shí)間尺度10ms達(dá)到新的平衡,轉(zhuǎn)動(dòng)輸運(yùn)速率遠(yuǎn)大于反常輸運(yùn)。模式2/1和1/1之間的耦合作用在速度剖面演化中起到關(guān)鍵作用,另外與其它裝置上的結(jié)果不同的是穿透鎖模后轉(zhuǎn)動(dòng)剖面不為零,而且依然存在梯度。直接利用放電中撕裂模頻率較寬的分布,外加螺旋場(chǎng)對(duì)撕裂模的作用表現(xiàn)出完全抑制、不完全抑制、鎖模和非均勻振蕩四種不同的響應(yīng)。鎖模與完全抑制存在明顯的5kHz頻率界限,鎖模閾值和抑制閾值都與撕裂模頻率有直接的聯(lián)系。數(shù)值模擬研究與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合,更清晰的理解了轉(zhuǎn)動(dòng)在撕裂模演化中的作用機(jī)制。
【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】：2014
【分類號(hào)】：TL631.24

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本文編號(hào)：2737017