托卡马克H模边界准相干模与无ELM运行模式研究

摘要

1982年ASDEX（德国）装置上第一次获得高约束(H)模式，这一发现成为了整个托卡马克研究中具有划时代意义的突破。H模约束因为其具有相对较高的能量和粒子约束水平以及良好的稳定可重复性，被选为ITER的基本参考运行模式。而边界局域模(ELM)作为H模中最重要的特征之一，由于其带来的严重热负荷问题目前并未得到很好的解决，所以对于ELM的控制方法研究一直都是国际托卡马克研究的热点问题之一。本论文主要依托于EAST全超导托卡马克装置，利用边界高时空分辨的分布及涨落测量手段，主要围绕EAST上无ELM高性能运行模式、边界相干模式的特征以及参数空间物理开展，包括有诊断搭建和物理研究两部分。
　　(1)在EAST上成功搭建了一径向边界热氦束发射光谱诊断，用LABVIEW语言编写了诊断喷气控制和信号采集程序，使得对边界密度、温度以及静电涨落等重要的物理量高时空分辨测量成为可能。
　　(2)对EAST上自发产生的无ELM运行模式进行了系统的研究，并给出了各自获得参数区间。在EAST上自发产生的无ELM运行，主要分为三种类型:
　　①低功率、高碰撞率、高再循环无ELM运行，显著特征是在进入H模之后边界Dα信号持续上涨，统计发现该运行模式的参数区间为:4.6GHz低杂波加热或者是反向中性束和电子回旋协同加热，当额外的其他加热方式如2.45GHz低杂波、离子回旋或者同向中性束注入都会打破这种无ELM运行。对于等离子体位形的要求:外gap=3.5-5.5cm及拉长比κ=1.55-1.63等;
　　②低功率、高碰撞率、低再循环无ELM运行，这种无ELM运行模式显著的特征之一是边界Dα信号在进入H模之后会持续下降直到ELM完全消失，需要在非常强的锂化条件或者是实时锂粉注入的条件下获得，此外这种运行还展现出了明显的密度阂值，更易在低密度下获得;③高功率、低碰撞率无ELM运行，该运行模式是EAST上所能取得的最高加热水平下的无ELM运行，但很可惜的是只是暂态的，因为缺少输运通道，所以并不能稳定维持。
　　(3)边界等离子体中存在着相当丰富的模式，本论文较为系统的总结了EAST上多种边界模式。主要包括有四种比较常见的模式:①静电性质的准相干模(ECM)，是低碰撞率、高再循环无ELM运行中的主导模式。并且发现当边界径向电场（Er）增大的情况下，ECM会径向外移并且频谱空间展宽，成为typeⅡELMs以及低再循环ELM H模的主导模式。其磁信号很弱，传播在电子逆磁漂移方向，展现出高环向模数（n～17-19）的气球模特征，研究显示其本质可能是耗散捕获电子模，强烈依赖于碰撞率和压强梯度，ECM被测量到可以带来强烈的粒子和热输运，在边界提供一条关键的输运通道，从而达到抑制ELM效果;②电磁性质的准相干模(MCM)，存在参数区间几乎横跨了整个EAST H模放电，目前只在高频类-grassy ELMy H模期间消失，是高功率、低碰撞率无ELM运行条件下的主导模式。其静电信号很微弱，传播在电子逆磁漂移方向，对边界输运贡献不大，但是发现其可以明显改变热流极向沉积分布;③高频电磁相干模(HFM)，传播在电子逆磁漂移方向，发现该模式在低场侧中平面附近没有明显的粒子输运，而在高场侧则产生了明显的粒子输运，猜测该模式可能产生于高场侧区域;
　　④电磁先兆、后兆振荡，在typeⅢ爆发间歇可以观察到一静电先兆涨落，频率在100-200kHz范围内，展现出中等环向模数特征(n～5-10)，极向波长大于10cm，径向波长约为1cm。此外在临界ELM间隙（介于typeⅠ和typeⅢ之间），可以观察到一支频率在50kHz的电磁后兆模，其传播在电子逆磁漂移方向，观察到后兆模可以明显拉长ELM下降时间。等等。
　　(4)对EAST上出现的高频小幅度TypeⅡELM也进行了研究，发现这种小ELMs的出现主要和Er增强有关，Er的增强可以抑制住台基区ECM不稳定性，将ECM峰值位置外移并且同时频率上升，频谱展宽成宽谱涨落特征(BB)。发现BB展现出阵发性特征，阵发频率和ELM频率相吻合，并且阵发频率伴随Er增强而增大，最后还观察到这种小ELM运行模式和内部输运垒以及低扭矩运行相兼容，是未来聚变实验中的一种可考虑的备选运行模式。
　　以上的研究不仅为EAST上小、无ELM实验研究奠定了良好的基础，同时也为预研ITER条件下的ELM控制手段探索提供了重要的参考价值。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 受控热核聚变

1．2 核聚变主要实现途径

1．3 EAST托卡马克装置简介

1．4 论文研究内容和意义

第2章 高约束(H)模和边界局域模(ELM)研究

2．1 高约束模式(H模)

2．2 ELM的实验研究

2．3 ELM的理论研究

2．3．1 EPED理论模型

2．3．2 ELITE理论模型

2．4 国际大装置上自发小、无ELM研究概况

2．4．1 静态(QH)模实验研究

2．4．2 I模实验研究(Improved mode)

2．4．3 EDA(Alcator C-Mod)实验研究

2．4．4 HRS(JFT-2M)实验研究

2．4．5 Type Ⅱ小ELMs实验研究

2．4．6 Grassy(杂草型)小ELMs实验研究

2．4．7 Type Ⅴ小ELMs(NSTX)实验研究

2．4．8 自发小、无ELM实验研究总结

2．4．9 等离子体边界不稳定性模式分类

2．5 主动控制ELM尝试

2．5．1 共振磁扰动线圈(RMP)系统

2．5．2 实时锂粉、锂弹丸、氘弹丸注入

2．5．3 超声分子束(SMBI)注入系统

2．5．4 射频波高频调制等离子体(低杂波，电子回旋波)

2．5．5 快速等离子体垂直位移触发小ELM

2．5．6 准雪花先进偏滤器位形缓解ELM

第3章 EAST边界热氦束发射光谱诊断(He-BES)系统

3．1 He-BES诊断背景

3．2 三种简化原子相互作用过程

3．2．1 局部热平衡模型(LIE)

3．2．2 日冕模型(Corona model)

3．2．3 碰撞辐射模型(CRM)

3．3 He-BES诊断基本原理

3．4 EAST上He-BES诊断简介

3．4．1 He-BES光学测量系统

3．4．2 He-BES喷气控制系统

3．4．3 He-BES诊断调试及实验效果

3．4．4 He-BES的升级改造

3．5 超声氦束和快氦束简介

3．5．1 超声氦束

3．5．2 快He束

第4章 EAST上自发小、无ELM运行模式研究

4．1 高台基碰撞率、高边界再循环无ELM运行

4．2 高台基碰撞率、低再循环无ELM运行模式

4．3 高功率下低碰撞率下的暂态无ELM运行模式

4．4 EAST上type Ⅱ小ELM实验研究

4．5 EAST上获得的I模、QH模概括

第5章 EAST上边界不稳定性模式研究

5．1 静电准相干模(ECM)基本特征

5．1．1：ECM传播方向以及模数

5．1．2 ECM的幅度受边界密度强影响

5．1．3 ECM幅度的参数区间

5．1．4 Bout++及GTC模拟程序成功模拟出EAST的ECM模

5．1．5 ECM(EAST)同QCM(C-Mod)异同点

5．2 电磁相干模(MCM)基本特征

5．3 高频电磁模(HFM)基本特征

5．4 Type Ⅲ ELMs前的静电先兆振荡研究

5．5 临界ELM期间电磁后兆振荡研究

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果