【摘要】：等離子體粒子約束和輸運(yùn)的研究一直都是磁約束核聚變物理最重要也是最基本的研究課題之一。約束和輸運(yùn)的特性不僅直接影響著等離子體密度,而且與等離子體儲(chǔ)能以及總的能量約束時(shí)間有比較大的關(guān)聯(lián)。對(duì)未來核聚變裝置來說,實(shí)現(xiàn)聚變產(chǎn)出的最大化必須要獲得高密度以及高能量約束時(shí)間的等離子體。而研究等離子體約束和輸運(yùn)相關(guān)物理的主要目的就是為了在未來聚變反應(yīng)堆中獲得高約束模式的穩(wěn)態(tài)等離子體,并且嘗試控制它。托卡馬克中的密度一直都是最基本的物理量。為了觀察EAST裝置中密度變化,已經(jīng)發(fā)展了三道HCN干涉儀以及十一道偏振干涉儀兩種弦積分密度測(cè)量診斷,其中偏振干涉儀具有較高的時(shí)間分辨率,不僅可以用來做密度反饋,而且對(duì)于研究相關(guān)密度漲落具有非常重要的意義。另外,微波反射計(jì)和湯姆遜散射系統(tǒng)能夠提供密度的局域測(cè)量。這些相關(guān)診斷的發(fā)展為粒子輸運(yùn)的研究提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。等離子體粒子輸運(yùn)的研究一直都是一個(gè)難點(diǎn)。一方面,相對(duì)于能量輸運(yùn),從實(shí)驗(yàn)上確定粒子輸運(yùn)的粒子源并不容易。另一方面,粒子平衡方程中還存在一個(gè)對(duì)流項(xiàng)。從等離子體平衡態(tài)中分離出對(duì)流和擴(kuò)散幾乎不可能。在EAST上發(fā)展了一種使用超聲分子束(SMBI)注入擾動(dòng)密度的方式來測(cè)量粒子輸運(yùn)系數(shù)。相比于充氣,SMBI具有加料效率高、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。另外,通過彈丸注入可以使密度急劇升高,因而可以利用粒子通量和密度梯度的關(guān)系得到粒子輸運(yùn)系數(shù),但這種方法需要特定的實(shí)驗(yàn)條件。本論文利用密度調(diào)制方法,研究了不同約束模式下的粒子輸運(yùn)系數(shù)。歐姆放電中,邊界等離子體輸運(yùn)系數(shù)比芯部明顯大,但在H模與L模中該差別比歐姆放電明顯。這里芯部擴(kuò)散系數(shù)Dc=0.2 m~2/s,邊界為De=0.8 m~2/s。H模中,芯部擴(kuò)散系數(shù)比較小。對(duì)于對(duì)流速度來說,這三種情況下的差別相對(duì)擴(kuò)散系數(shù)要更明顯。首先,邊界對(duì)流速度比芯部要大很多倍。H模有著很強(qiáng)的向內(nèi)的對(duì)流速度,歐姆放電的對(duì)流速度最小。這與H模中邊界臺(tái)基的形成有著密切的聯(lián)系。共振磁擾動(dòng)(RMP)引起的密度排出是一種重要的粒子輸運(yùn)現(xiàn)象。密度排出期間,粒子約束變差,甚至?xí)l(fā)H-L轉(zhuǎn)換。利用密度調(diào)制獲得了H模下密度排出現(xiàn)象前后的粒子輸運(yùn)系數(shù)。在粒子源可以被忽略的等離子體芯部,粒子輸運(yùn)系數(shù)的變化應(yīng)與密度梯度尺度倒數(shù)的變化一致。在臺(tái)基區(qū)域,RMP加入導(dǎo)致擴(kuò)散系數(shù)的增加,但是向內(nèi)的對(duì)流降低,表明了更多的粒子通過分界面而損失掉。而通過對(duì)比新經(jīng)典輸運(yùn)系數(shù)發(fā)現(xiàn),調(diào)制所得的輸運(yùn)系數(shù)要大一兩個(gè)量級(jí),說明反常輸運(yùn)在RMP導(dǎo)致的密度排出中起主要作用。RMP加入后,邊界徑向電場(chǎng)的勢(shì)阱減小,相應(yīng)的ExB剪切率在ρ=0.97的位置降低。通過分析邊界密度漲落發(fā)現(xiàn),在RMP加入期間,等離子體密度漲落明顯增加,這與剪切率降低的位置一致,表明密度排出現(xiàn)象與湍流輸運(yùn)的增加相關(guān)。通過分析EAST近年來的運(yùn)行圖,觀察到超過Greenwald密度極限運(yùn)行的放電。而這些放電大都伴隨MARFE的產(chǎn)生。歐姆條件下接近密度極限的放電中通常會(huì)出現(xiàn)比較強(qiáng)的磁擾動(dòng),同時(shí)偏振干涉儀(POINT)所測(cè)密度漲落也增加。這些現(xiàn)象在H模下超密度極限的放電中也有出現(xiàn),伴隨有偏濾器脫靶現(xiàn)象的產(chǎn)生。而在輻射較強(qiáng)的MARFE條件下,由于密度梯度的增加,電磁波在其中會(huì)發(fā)生大角度的折射,可能會(huì)導(dǎo)致干涉儀信號(hào)的丟失。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)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
【圖文】：

圖１．１托卡馬克裝置示意圖逡逑托卡馬克是由蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明的一種環(huán)形磁約束聚變裝置，利用外部線圈產(chǎn)逡逑生的磁場(chǎng)以及等離子體電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)結(jié)合形成螺旋狀的磁力線將等離子體約逡逑束在裝置內(nèi)部，通過外部輔助加熱以及各種加料手段使等離子體參數(shù)提高從而發(fā)逡逑生聚變反應(yīng)。高密度、高溫度以及高能量約束時(shí)間是目前磁約束核聚變追求的目逡逑標(biāo)。逡逑１．２等離子體粒子輸運(yùn)研究意義逡逑核聚變輸出功率Ｐ與氘離子取和氚離子》，的積成正比％逡逑ＰＴ？邋＝邋”ｃｌｎ？邐（１－３）逡逑〈ｏｖ〉：ＤＴ核聚變反應(yīng)的反應(yīng)截面；單一核聚變反應(yīng)的輸出能量。逡逑等離子體密度《＝？＃？，，故上式可寫為：逡逑戶７（卜？）〈ＯＴ〉ｆ邐（１－４）逡逑當(dāng)《尸０．５／７，８卩當(dāng)氘元素和氚元素的密度相等＾？，時(shí)，如下式，此時(shí)產(chǎn)量最大逡逑

逡逑出現(xiàn)如圖１．２所示的完全的切斷粒子供給，但是在周邊部分卻是很難做到這一點(diǎn)。逡逑＇邐�。剑卞澹箦义希礤澹赀娏Ｗ蛹s束時(shí)間＾邋Ｕ—逡逑０邐Ｖ邐邋ｉ逡逑＾邐切斷粒子供給時(shí)間＼邋＼逡逑Ｉ邐！邋＼逡逑罐邋Ｎ邋Ｊｅ逡逑邐Ｉ邐Ｉ邐逡逑０邐１２邐３邐４逡逑ｔ逡逑圖１．２粒子約束時(shí)間定義逡逑為了控制密度，可以利用充氣，或者是彈丸注入等手段（射入冷凍后的氫、逡逑氘固態(tài)燃料）。簡(jiǎn)單來考慮，如停止外部粒子的供應(yīng)，密度在約束時(shí)間內(nèi)下降這逡逑一情況并不一定會(huì)出現(xiàn)。這是由于包圍等離子體的真空容器的壁材料具有吸附氣逡逑體的性質(zhì)。從等離子體到等離子體的邊界以外被輸運(yùn)的粒子束會(huì)重組，變成中性逡逑原子的氣體（氫等離子體是氫原子的氣體）。中性原子的氣體被容器壁吸附的同逡逑時(shí)，由于與等離子體周邊部分相互作用，被吸附的氣體再次進(jìn)入等離子體中。這逡逑個(gè)作用被稱作再循環(huán)作用。由于再循環(huán)作用，供給燃料時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)，（１．６）逡逑式實(shí)際上應(yīng)為再循環(huán)作用部分加上包含燃料供給在內(nèi)的粒子供給效率Ｓ邋（稱為粒逡逑子源項(xiàng)）。包含Ｓ項(xiàng)的等式如下：逡逑－邋＝邋－—邋＋邋Ｓ邐（１．８）逡逑ｄｔ邋Ｔｐ逡逑下面我們根據(jù)（１．８）式來定義考慮到粒子供給的約束時(shí)間。粒子的供給效率逡逑為，從真空容器外部入射的氣體以及壁再循環(huán)作用，中性粒子束加熱的情況下，逡逑還需包含中性粒子束的粒子源。不考慮粒子供給，再看（１．６）式，粒子約束時(shí)間＜逡逑為實(shí)際的粒子約束時(shí)間。定義再循環(huán)率為：逡逑Ｒ邋＝邋＼－＾￣邐（１．９）逡逑再循環(huán)強(qiáng)的情況下

要清洗由于直流放電吸附在容器壁上的氦和氫。也可涂上Ｂｅ，邋Ｂ，Ｌｉ、Ｔｉ逡逑等組成的涂料。在ＥＡＳＴ托卡馬克裝置上，通常在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行鋰化以降低再循環(huán)。逡逑圖１．３顯示了在ＣＨＳ裝置中的再循環(huán)率的測(cè)量結(jié)果。＜為從充氣停止后的密度逡逑時(shí)間變化情況得出的評(píng)價(jià)，＆為根據(jù)極向方向和環(huán)形方向設(shè)置的多通道探測(cè)器以逡逑及真空容器內(nèi)的粒子源的非對(duì)稱性得出的結(jié)果，根據(jù)（１．８）式作出的分析。再循環(huán)逡逑率可以從等離子體脫欄后偏濾器位形變化得知。逡逑？０３８邋—。。邋▲邋＞逡逑：邐＊４邋＾邋Ａ邐：邋▲邐Ｘ逡逑＊邋０．９６邋－邋Ｘ．邋0．邐＃邐．逡逑：邐▲辦邐ｘ逡逑▲逡逑０．９４邋－邐．逡逑Ｖ邋？邐？邋８８．８邋＇逡逑；邐ｘ邐▲邐９４．９邐：逡逑０．９２邋－邐ｘ邋Ｈ邋＊邋＇逡逑＇Ｇｃｍ：ｃｎｔｒ，邐0邋１０１．６邋］逡逑邐邐邐邐邐邐邐逡逑０１邐２３４５６７８逡逑ｎ0邋（１0ｌ３ｃｍ＇３＞逡逑圖１．３在ＣＨＳ裝置中，再循環(huán)率與密度以及磁軸位置的關(guān)系。Ｒａｘ邋＝８８．８，邋９４．９，邋９７．４ｃｍ逡逑為限制器位形。ＲａＸ＝９９．５，１０１．６ｃｍ為脫欄后的偏濾器位形【７］。逡逑式中的密度Ｎ為等離子體的平均密度。從大概的密度，我們可以逡逑粗略地討論宏觀的約束情況。關(guān)于粒子輸運(yùn)的詳細(xì)的討論，必須考慮等離子體的逡逑空間分布。因此

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