EAST托卡马克稳态氘弹丸注入触发蛇形振荡及L-H转换的物理实验研究

摘要

弹丸注入作为一种先进的等离子体加料技术，已经被未来聚变装置ITER选定为主要的加料手段。弹丸注入的作用不仅仅局限于简单的等离子体加料，合理地利用弹丸注入甚至可以控制等离子体MHD行为和输运。EAST装置作为一个全超导托卡马克装置，发展了一套稳态10Hz弹丸注入系统，并利用该系统开展了一系列弹丸注入加料及等离子体控制的实验研究。
　　本论文首先针对EAST装置上弹丸注入对等离子体基本行为的影响展开了研究，发现弹丸注入可以引起等离子体密度峰化和储能的上升，证明了弹丸是一种优秀的等离子体加料手段。进一步实验分析表明，EAST装置上弹丸的等离子体加料效率（进入等离子体中的弹丸粒子数/单个弹丸的总粒子量）大约为30％，而高场侧注入能实现最高的等离子体加料，在理想情况下可以达到～40％。同时也发现随着辅助加热功率的升高，等离子体径向漂移作用变强，弹丸的加料效率会有所下降，粒子在等离子体中滞留时间也会下降。此外，还对H模情况下弹丸注入引起的ELM行为进行了简要的分析，发现大尺寸弹丸注入可能会导致等离子体约束变差，甚至从H模退回到L模。这些初步的实验结论为EAST装置上开展更进一步的实验研究提供了参考和数据积累。
　　而后针对弹丸注入对等离子体芯部MHD行为影响开展了深入的实验研究，研究发现在欧姆加热条件下弹丸穿越等离子体q=1面可以触发强烈的芯部MHD行为——蛇形振荡现象。弹丸触发蛇形振荡的基本原理是弹丸在q=1面附近引入很大的密度和温度扰动，帮助局域范围内形成磁岛，并最终发展成为蛇形振荡。EAST观察到蛇形振荡现象具有影响范围广，持续时间长的特点，需要结合阻尼撕裂模和分支螺旋平衡状态理论才能合理解释。弹丸触发的蛇形振荡的实验研究是一种关于影响和控制等离子体芯部MHD行为的全新尝试，对于未来相关的实验研究具有指导意义。
　　最后还开展了关于弹丸注入触发L-H转换的实验研究，研究发现通过边界弹丸的注入可以帮助等离子体边界输运垒的建立并使等离子体提前进入H模。实验中还发现EAST装置上的弹丸注入能够有效降低等离子体L-H转换阈值功率10％，且通过估算边界径向电场的方式，证明了弹丸消融引起了等离子体边界径向电场剪切的增大，从而抑制了湍流并建立其边界输运垒，最终实现H模。弹丸触发L-H转换实验研究能够帮助了解L-H转换期间等离子体各参数变化的因果关系，对于理解等离子体L-H转换的深层机制具有极其重要的意义。
　　通过EAST装置上开展的弹丸注入实验研究，充分证明了弹丸是一种先进的等离子体加料和控制手段，同时也为未来ITER装置开展弹丸物理实验研究提供了数据积累。在上述实验研究的基础上未来将进一步开展深层次的弹丸注入实验研究，期待在未来得到更多更有意思的实验结果。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 可控热核聚变

1．2 托卡马克装置

1．3 托卡马克常用的加料方式

1．4 论文研究的内容与意义

1．4．1 弹丸加料及触发ELM的意义

1．4．2 研究弹丸触发蛇形振荡的意义

1．4．3 研究弹丸触发L-H转换的意义

1．5 本文的结构

第2章 弹丸注入系统及其在托卡马克装置上的研究进展

2．1 弹丸注入系统的介绍

2．1．1 弹丸注入器分类

2．1．2 国内外各大装置上的弹丸注入系统基本情况

2．2 弹丸注入系统的加料实验研究

2．2．1 弹丸消融模型

2．2．2 弹丸的加料效率研究

2．2．3 等离子体密度极限研究

2．3 弹丸注入对MHD行为影响的研究

2．3．1 弹丸注入触发蛇形振荡现象的研究

2．3．2 弹丸注入触发ELM现象的研究

2．4 弹丸注入与等离子体控制的研究

2．4．1 弹丸注入触发L-H转换的研究

2．4．2 弹丸注入缓解ELM的研究

2．5 本章小节

第3章 EAST装置10Hz弹丸注入系统的完善及其测试

3．1 EAST装置介绍

3．2 EAST弹丸注入系统介绍

3．2．1 弹丸注入器主体

3．2．2 弹丸诊断及两级差分系统

3．2．3 弹丸管道测试

3．2．4 2012年和2014年弹丸注入器位置的变动

3．3 本章小结

第4章 EAST弹丸注入对等离子体基本行为的影响

4．1 弹丸注入对等离子体基本参数的影响

4．2 弹丸注入加料效率的研究

4．3 弹丸注入与粒子滞留时间的研究

4．4 弹丸注入实验期间的ELM行为

4．5 本章小结

第5章 EAST弹丸注入触发蛇形振荡的实验研究

5．1 EAST装置弹丸成功触发蛇形振荡

5．1．1 弹丸触发蛇形振荡的基本特征

5．1．2 弹丸触发蛇形振荡发生的位置

5．2 自发蛇形振荡及弹丸注入对其的影响

5．2．1 自发蛇形振荡的特征

5．2．2 弹丸对蛇形振荡的影响

5．2．3 自发蛇形振荡的位置

5．3 弹丸触发蛇形振荡的机制

5．4 本章小节

第6章 EAST弹丸注入触发L-H转换的实验研究

6．1 弹丸触发L-H转换

6．1．1 实验准备

6．1．2 简单的L-H转换

6．1．3 复杂的L-H转换

6．2 弹丸引起L-H转换的机制

6．2．1 L-H转换阈值功率理论

6．2．2 L-H转换径向电场理论

6．3 本章小结

第7章 EAST装置50Hz弹丸注入系统的构建与测试

7．2 系统工作流程

7．3 真空系统设计

7．4 测试结果和讨论

7．5 本章小结

第8章 总结与展望

8．1 总结与创新点

8．2 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