【摘要】：未來聚變堆(如ITER、CFETR)運行目標是實現(xiàn)高功率長脈沖穩(wěn)態(tài)等離子體,實現(xiàn)該目標的必要條件之一是能夠有效的控制邊界再循環(huán)及雜質(zhì)粒子。EAST裝置擁有與ITER類似的全超導非圓截面結(jié)構(gòu),其主要科學目標是發(fā)展和驗證未來聚變堆長脈沖穩(wěn)態(tài)先進運行模式及研究相關(guān)的物理和工程問題。對粒子再循環(huán)及雜質(zhì)行為的物理理解及有效控制是實現(xiàn)EAST金屬壁條件下高性能長脈沖穩(wěn)態(tài)運行的關(guān)鍵。本論文依托EAST托卡馬克實驗平臺,發(fā)展了邊界可見光譜診斷和快離子損失診斷,開展了系列相關(guān)實驗研究,有助于深入理解粒子再循環(huán)及雜質(zhì)行為,有利于探索粒子再循環(huán)及雜質(zhì)的有效控制方法,為獲得EAST高參數(shù)長脈沖穩(wěn)態(tài)運行提供參考和可用的方法。邊界可見光譜診斷能為長脈沖粒子再循環(huán)及雜質(zhì)行為研究提供重要的數(shù)據(jù)支持。另外,EAST高功率運行條件下存在部分損失高能粒子,會導致更強的再循環(huán)及雜質(zhì)行為。因此,EAST裝置上建立和發(fā)展了邊界可見光譜診斷系統(tǒng)和快離子損失診斷系統(tǒng)。測量Dα(Hα)線型得到氫氘比進而研究邊界粒子再循環(huán)過程;測量氘原子高n態(tài)巴爾末系特征譜線(Dβ,Dγ,Dδ等)及可見波段的雜質(zhì)特征譜線,研究中高密度運行條件下的原子分子過程、再循環(huán)及雜質(zhì)行為。快離子損失診斷的高速相機測量損失快離子的回旋半和pitch角,高采樣率PMT分析損失快離子相關(guān)不穩(wěn)定性。利用這些診斷,對EAST放電,特別是長脈沖放點開展研究。EAST長脈沖高約束穩(wěn)態(tài)等離子體放電探索中發(fā)現(xiàn),石墨壁材料、鋰化壁處理、優(yōu)化等離子體位形、提高三角形變、優(yōu)化打擊點、內(nèi)置低溫泵、偏濾器脫靶態(tài)等能有效降低邊界再循環(huán)及雜質(zhì)源的產(chǎn)生。石墨偏濾器具有較低的有效電荷數(shù)和雜質(zhì)輻射,再循環(huán)及雜質(zhì)較低。鋰化壁處理,鋰對碳、氧、氫雜質(zhì)有極強的吸附效果,顯著降低了邊界再循環(huán)的加料效果以及雜質(zhì)含量,提高了等離子體品質(zhì)。采用交替上、下單零位形,可以將偏濾器靶板上的熱負荷有效分攤到上下兩個偏濾器靶板,從而降低等離子體與壁累積相互作用導致的器壁損傷;優(yōu)化打擊點能使偏濾器內(nèi)置低溫泵的抽氣能力達到最大,增強粒子排出并降低粒子的再循環(huán)過程;中高密度等離子體放電中,偏濾器進入半脫靶甚至脫靶態(tài),等離子體與壁幾乎沒有直接相互作用,極大的降低了粒子對第一壁的損傷以及雜質(zhì)的產(chǎn)生。在這些優(yōu)化條件下,EAST獲得了百秒量級的高電子溫度放電和高約束放電。鎢偏濾器位形放電條件下,芯部鎢雜質(zhì)累積,會產(chǎn)生大量的輻射,即降低了等離子體約束性能,又增加了壁的熱負荷進而增強了再循環(huán)行為,降低了等離子體品質(zhì),削弱了對等離子體的控制,限制了穩(wěn)態(tài)長脈沖H模的實現(xiàn)。因此有效的控制芯部鎢雜質(zhì)水平既要有效的控制邊界鎢雜質(zhì)源,又要有效的控制芯部鎢雜質(zhì)聚芯效應(yīng)。EAST裝置上的芯部回旋加熱能有效的控制芯部鎢雜質(zhì)累積過程。芯部電子回旋加熱主要對電子有加熱效果,提高了芯部電子溫度,使得芯部等離子體密度變得平滑,增強了芯部反常輸運過程,進而降低了高Z雜質(zhì)的向內(nèi)漂移。EAST裝置通過鋰化壁處理、優(yōu)化等離子體參數(shù)等方式有效降低邊界再循環(huán)及雜質(zhì)源產(chǎn)生以及芯部電子回旋加熱抑制芯部高Z雜質(zhì)含量,獲得了102 s的長脈沖H模放電。基于可見光譜診斷及其他診斷,理解了EAST上粒子再循環(huán)及雜質(zhì)行為特征,并探索了有效控制粒子再循環(huán)及雜質(zhì)的方法。面對未來ITER和CFETR的高功率穩(wěn)態(tài)運行,困難和挑戰(zhàn)更大,還需要探索更多更有效的控制損失高能粒子、粒子再循環(huán)及雜質(zhì)的方式和方法。
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TL631.24
【圖文】：

Ｔｏｋａｍａｋ邋音譯于俄語的邋ＴＯＫａＭａＫ，由邋ｔｏｒｏｉｄａｌ＇ｎａｙａ邋ｋａｍｅｒａ邋ｓ邋ｍａｇｎｉｔｎｙｍｉ逡逑ｋａｔｕｓｈｋａｍ畫個俄語單詞縮寫而來，含義是“帶有磁場線圈的環(huán)形真空容器”。托逡逑卡馬克裝置主要由磁場系統(tǒng)和真空系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，主要結(jié)構(gòu)如圖１．２所示。磁場逡逑系統(tǒng)主要包括縱場線圈、加熱場變壓器、極向場線圈、平衡場線圈、儲能設(shè)備以逡逑及成形場線圈�？v場線圈產(chǎn)生環(huán)向縱場，約束主等離子體。加熱場變壓器為鐵芯逡逑變壓器或空芯變壓器，在等離子體中產(chǎn)生感應(yīng)電流。極向場線圈位于真空室外部，逡逑產(chǎn)生垂直于赤道面的垂直平衡場，與等離子體電流產(chǎn)生的極向磁場相結(jié)合，克服逡逑帶電粒子的向外漂移，維持等離子體的平衡。托卡馬克的真空系統(tǒng)包括真空室和逡逑真空泵機組。真空室通常由不銹鋼制成，采用高抽速的渦輪分子泵將真空室抽成逡逑ｌ0－８ｔｏｒｒ以上的超高真空，在放電前充入工作氣體。此外，托卡馬克還有供電系統(tǒng)、逡逑加熱系統(tǒng)和診斷系統(tǒng)等附屬設(shè)備。逡逑Ｏｈｍｉｃ邋ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ逡逑ＣＵ７邋／Ｃ0ｉ＇Ｓ逡逑Ｖｅｒｔｉｃａｌ邋ｆｉｅｌｄ邋ｃｏｉｌｓ逡逑Ｔ�！姡诲义稀义希裕铮颍铮椋洌幔戾澹妫椋澹欤溴澹悖铮椋欤筮�，逡逑Ｔｏｔａｌ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｆｉｅｌｄ邋ｌｉｎｅ邐Ｐｌａｓｍａ逡逑圖１．２托卡馬克裝置的主要結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Ｗ逡逑在半個多世紀的發(fā)展中

第１章緒論ＡＳＤＥＸ裝置上發(fā)現(xiàn)了高約束模式，即Ｈ模，能量約束時間與Ｌ模相比提在這些大量研宄成果的基礎(chǔ)上，各國開始建造第三代托卡馬克裝置，置有美國的ＴＦＴＲ、日本的ＨＴ－６０、歐洲共同體的ＪＥＴ等，取得了創(chuàng)紀錄的果。１９９１年１１月９日，英國牛津郡卡勒姆實驗室的聯(lián)合歐洲環(huán)（ＪＥＴ）使用合物首次成功實現(xiàn)了聚變功率２兆瓦、持續(xù)２秒的受控熱核聚變反應(yīng)試驗［９１．４，這一突破性進展是人類利用聚變能的一個重要里程碑。后期的氘氚核應(yīng)試驗達到了邋１６邋ＭＷ的最大瞬時聚變功率和４邋ＭＷ的穩(wěn)態(tài)聚變功率［１０］。逡逑ｌｌｌｇｈ邋ｅ？ｒｒｇ＞逡逑ｍｕｔｔｉｐｌｌｒａｔｌｏｎ逡逑

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本文編號：2740775