磁約束聚變中高能量粒子的良好約束對于維持核聚變反應的自持燃燒和高增益功率輸出起著決定性的作用。但是在環(huán)形磁約束裝置中出現(xiàn)的阿爾芬本征模卻對高能量粒子的約束起著破壞的作用。環(huán)形阿爾芬本征�？梢酝ㄟ^波與粒子的共振相互作用造成高能量粒子的輸運損失,這在低碰撞的燃燒等離子體中高能量粒子的損失途徑中甚至起著主導的作用。因此我們有必要研究阿爾芬本征模的激發(fā)條件和控制手段。在EAST全超導托卡馬克上我們結合共振磁擾動線圈系統(tǒng)產生的三維磁擾動場和電子回旋共振加熱系統(tǒng)對阿爾芬本征模的激發(fā)和控制問題進行了系統(tǒng)的實驗研究。我們在國際上首次發(fā)現(xiàn)了三維磁擾動場在滲透重聯(lián)之后可以產生沿淺俘獲軌道進動的高能量電子,并進一步激發(fā)一只高頻(f～150 kHz)的沿著離子逆磁方向傳播的環(huán)形阿爾芬本征模。與此同時三維磁擾動場也可以激發(fā)一只在環(huán)向呈現(xiàn)駐波結構的低頻(f～20 kHz)比壓阿爾芬本征模。它在撕裂模(f=2 kHz)出現(xiàn)時會因多普勒效應分裂成兩支不同頻率(f～=18 kHz,f2=22 kHz)的模式。另外還在EAST裝置上首次發(fā)現(xiàn)了電子回旋共振加熱對環(huán)形阿爾芬本征模的激發(fā)作用,并發(fā)現(xiàn)了以50 ms周期在200 kW和500 kW之間做切換的電子回旋共振加熱的功率調制對環(huán)形阿爾芬本征模的頻率也產生了高達Δf=25 kHz的調制作用。經過對多種可能性的排除,這種頻率調制作用有可能是電子回旋加熱的功率調制對局域的密度或者安全因子產生了調制作用。除了上述對阿爾芬本征模的實驗觀測,我們還結合三維磁擾動場和電子回旋共振加熱系統(tǒng)對阿爾芬本征模進行了主動控制的實驗研究。我們發(fā)現(xiàn)處于共振加熱模式的電子回旋可以完全抑制高頻的環(huán)形阿爾芬本征模并同時增強低頻的比壓阿爾芬本征模。而處于電流驅動模式的電子回旋卻發(fā)生了完全相反的作用,它可以增強高頻的環(huán)形阿爾芬本征模而同時抑制低頻的比壓阿爾芬本征模。而三維磁擾動場對于波加熱作用下的比壓阿爾芬本征模有著增強的作用。另外密度對環(huán)形阿爾芬本征模的穩(wěn)定性也有重要的作用,在密度升高后因為高能量電子被慢化削減,環(huán)形阿爾芬本征模被致穩(wěn)。這些工作揭示了三維磁擾動場和電子回旋加熱或可以在未來的聚變反應堆中作為主動控制阿爾芬本征模的有效手段而得到應用。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TL631.24
【部分圖文】：

中國科學院合肥物質科學研究院下屬的等離子體物理研究所于２００６年建成逡逑的邋ＥＡＳＴ邋（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋Ａｄｖａｎｃｅｄ邋Ｓｕｐｅｒ邋ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ邋Ｔｏｋａｍａｋ／ＥＡＳＴ／“東方超環(huán)”）托逡逑卡馬克聚變實驗裝置（如圖１．２所示）是世界上第一個采用全超導？磁體的托卡逡逑馬克。在ＥＡＳＴ全超導托卡馬克的內真空室安裝有共振磁擾動線圈系統(tǒng)，通過靈逡逑活地調節(jié)線圈上的電流，就可以產生多種模式的三維磁擾動場。結合共振磁擾動逡逑線圈系統(tǒng)我們開展了三維磁擾動場對ＥＡＳＴ中阿爾芬本征�？刂谱饔玫膶嶒炑绣义暇�。并且在國際上首次觀察到了三維磁擾動場在滲透進等離子體后對環(huán)形阿爾逡逑芬本征模的激發(fā)作用。另外我們還將三維磁擾動場和ＥＡＳＴ上的電子回旋共振逡逑加熱系統(tǒng)聯(lián)合起來起來對阿爾芬本征模的激發(fā)和控制進行了實驗研究。我們還逡逑利用電子回旋共振加熱系統(tǒng)的不同運行模式，在ＥＡＳＴ上首次實現(xiàn)了對特定阿逡逑爾芬本征模的抑制或者增強的自由控制。最后我們還測試了密度對阿爾芬本征逡逑模穩(wěn)定性的影響。逡逑本文的結構如下：第一章簡單介紹聚變能開發(fā)對未來星際航行的重要性和逡逑阿爾芬本征模對目前聚變研究的重要意義。第二章系統(tǒng)地介紹了阿爾芬本征模逡逑的實驗觀測，主動控制和理論的前沿進展。第三章介紹了邋ＥＡＳＴ上的共振磁擾動逡逑線圈系統(tǒng)，探測磁流體不穩(wěn)定模式的相關診斷和實驗數(shù)據的分析方法。第四章介逡逑紹了我們在ＥＡＳＴ托卡馬克中利用三維磁擾動場對阿爾芬本征模進行激發(fā)的實逡逑驗結果。第五章介紹了利用電子回旋加熱激發(fā)阿爾芬本征模的實驗結果。第六章逡逑？注：全超導是指不僅縱場線圈采用了超導磁體

的平衡分布為：／？0邋＝邋１．８邋ｍ，ｒ邋Ｇ邋［０，１］，ｇ（ｒ）邋＝邋１邋＋邋３ｒ２，《ｅ邋＝邋２（１邋－邋ｒ２）。平衡磁場和逡逑其它參數(shù)取為了單位〗（為了簡單期間，這里沒有考慮平衡分布的自洽性）。對逡逑應的阿爾芬連續(xù)譜如圖２．１所示。逡逑Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ邋Ａｌｆｖｅｎ邋Ｓｐｅｃｔｒｕｍ：邋ｎ邋＝邋２逡逑畫逡逑０．０邐０．２邐０．４邐０．６邐０．８邐１．０逡逑ｒ逡逑圖２．１柱幾何中不考慮極向模數(shù)耦合的阿爾芬連續(xù)譜。逡逑２．環(huán)幾何中連續(xù)譜間隔的形成逡逑弓邋Ｉ邋入小環(huán)坐標（見附錄）：階，０，Ｃ，Ｇ邋＝邐＝邋／Ａ：｜｜ｍ０ｍ逡逑和４邋＝邐這樣方程（２．８）就變?yōu)榱耍哄义希罚颍蓿殄澹澹耄欤掊澹澹蓿裕樱郑浚插澹姡澹保兀掊澹澹耄欤颍牛掊澹ǎ玻梗╁义希澹荆常ǎ樱插甯偅姡藉?邐．逡逑上述方程可以被近似和簡化成如下關于ｍ，ｍ邋＋邋１極向分量的形式逡逑１１逡逑

邐邋（２．１２）逡逑對于ｎ邋＝邋２，邋ｍ邋＝邋１，２耦合產生的環(huán)形阿爾芬連續(xù)譜間隔的模擬結果如圖２．２所逡逑不。逡逑＾邐Ｔｏｒｏｉｄａｌ邋Ａｌｆｖｅｎ邋Ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋ＧＡＰ：邋ｎ邋＝邋２逡逑Ｕ．ＺＵ邋［＂Ｉ￣１邋￣ｉ￣１邋￣｜￣１邋￣１邋￣１邋￣￣１邋￣｜￣＇￣１邋１邋１邋｜￣１邋￣＇￣？邋￣？邋￣Ｉ邋１邋￣＇￣１邋￣Ｔ邋｜￣＇￣＇／邋１邋￣逡逑０．１８－邐—邋Ｕ２｛ｍ＝１）：逡逑－－－－邋ｕ）＾（ｍ邋—邋２）逡逑Ｓ邋0１５邋＾Ｎ．邐——＾＋（ｍ邋＝邋ｌ，２）－逡逑＾邋０．１３邋：邐——ｗｌ（ｍ邋＝邋ｌ，２）：逡逑＾邋０．１０邋＾邋＼邋？，＝邋＃）」逡逑Ｔ0．0８：邋＼邐／／邐，逡逑、。。５丨邐ｖ／邐／逡逑。？…一＾：逡逑０．０邐０．１邐０．２邐０．３邐０．４邐０．５邐０．６逡逑ｒ逡逑圖２．２邋ｍ＝ｌ，２耦合的連續(xù)譜間隔結構逡逑３．阿爾芬本征模逡逑因為連續(xù)譜阻尼的作用，只有在環(huán)幾何中處于阿爾芬連續(xù)譜間隔中的離散逡逑值本征模式才不會受到強烈的阻尼作用。對于高ｎ環(huán)向模數(shù)的環(huán)形阿爾芬本征逡逑模，Ｃ．Ｚ．邋Ｃｈｅｎｇ教授解析地求出其在連續(xù)譜間隔中的離散本征解［２（）］。對于高ｎ逡逑的阿爾芬本征模

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本文編號：2822282