HT-7上面向长脉冲等离子体放电的边界再循环及杂质行为的研究

摘要

本文系统介绍并研究了HT-7边界再循环及杂质行为。利用中性粒子输运代码DEGAS2对Dα(Hα)实验线型进行模拟。模拟结果表明Dα(Hα)线型主要来自于四个过程：一是释放过程，二是分子过程，三是反射过程，四是电荷交换过程。前两部分构成冷原子成份，主要影响谱线的峰部；后两部分构成快原子成份，主要造成谱线的频移。对HT-7典型的欧姆等离子体放电，这四部分所占份额分别为32％，31％，15％，22％。文中模拟并讨论了不同等离子体参数条件下的边界再循环机制。对于不同的分子离解通道主要取决于电子温度参数：当Te≤15 eV，主要以分子直接离解为主；Te＞15 eV，以分子态离子直接离解为主。针对长脉冲放电条件对杂质行为及边界再循环进行了系统研究。为了降低杂质水平，应用ICRF硼化(C2B10H12)壁处理。在HT-7氘等离子体中，氢的成份来自第一壁，因此氢在等离子体中的含量包含了大量再循环的信息。根据硼化后氢氘比H/(H+D)的演化，边界再循环行为可分为三个阶段：1)不可控阶段；2)过渡阶段；3)可控阶段，并对其进行系统的分析。进一步阐述了不同长脉冲运行模式(双波协同，全波驱动，交流运行等)下杂质和再循环行为。利用粒子平衡方程，研究了加料效率以及有效粒子约束时间T*P，进一步讨论了边界再循环，放电过程中T*P的不断增加说明边界再循环的不断增加。基于现有光学光谱多道分析(OSMA)系统，进行诊断中性束(DNB)和电荷复合交换光谱(CXRS)测量，获得了HT-7上离子温度的径向分布，证明了其在HT-7上的可行性。

目录

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论文说明：图表目录

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第一章绪论

1.1可控核聚变简述

1.2等离子体与壁相互作用简述

1.3本论文内容组成

第二章边界再循环和杂质行为综述

2.1行为概述

2.1.1 氢在石墨材料表面的行为

2.1.2 边界再循环及杂质行为对等离子体的影响

2.2长脉冲简述

2.2.1 相关技术和物理时间尺度

2.2.2 相关物理内容简述

2.2.3 目前各主要装置相关情况

2.3 边界再循环及杂质行为的有效控制

2.3.1 等离子体边界层的控制

2.3.2有效壁处理

2.3.3 有效粒子和热排除能力

2.4研究方法

2.4.1 等离子体边界模拟

2.4.2第一壁模拟

2.4.3粒子平衡模型

2.5 HT-7超导托卡马克及本论文工作研究意义

2.5.1 HT-7长脉冲相关历史发展

2.5.2本论文工作研究意义

2.6本章小结

第三章中性粒子输运及模拟

3.1相关边界物理

3.1.1刮鞘层特性

3.1.2 刮鞘层中的中性粒子

3.2边界再循环机制的研究

3.2.1 基本原子分子过程

3.2.2 中性粒子输运

3.2.3 Hα光子的产生

3.9.4再循环总通量

3.3中性粒子模拟代码DEGAS 2简介

3.3.1 中性粒子输运模型

3.3.2 DEGAS 2简介

3.3.3应用

3.4本章小结

第四章诊断系统及测量原理

4.1主要诊断系统介绍

4.1.1 光谱诊断系统

4.1.2 其它相关常规诊断系统

4.2再循环实验研究测量原理

4.2.1 Dα(Hα)谱线线型测量

4.2.2粒子平衡方程

第五章边界再循环机制的模拟研究--DEGAS 2在HT-7上的应用

5.1. Dα(Hα)实验线型

5.2 Dα(Hα)线型模拟

5.2.1 DEGAS 2相关设置

5.2.2谱线模拟结果

5.3不同参数调整下的模拟线型

5.3.1 电子温度的影响

5.3.2离子温度的影响

5.3.3 电子密度的影响

5.3.4 不同观测窗口的的影响

5.3.5总结与讨论

5.4 HT-7上Dα(Hα)实验线型的模拟研究

5.4.1不同密度情况

5.4.2不同温度情况

5.4.3 不同观测窗口情况

5.5本章小结

第六章边界再循环及杂质行为的实验研究

6.1 HT-7杂质辐射行为和密度增长

6.1.1 辐射行为随低杂波功率的变化

6.1.2 不可控密度增长随低杂波功率的变化

6.1.3分析与讨论

6.2硼化前后边界再循环及杂质行为的演化

6.2.1 HT-7上ICRF硼化过程简述

6.2.2硼化前后等离子体行为

6.2.3杂质行为的演化

6.2.4 边界再循环行为的演化

6.3长脉冲条件下的不可控密度增长及杂质行为

6.3.1持续运行模式

6.3.2交流运行模式

6.3.3 讨论

6.4有效粒子约束时间以及加料效率的实验研究

6.4.1有效粒子约束时间

6.4.2加料效率的计算

6.5本章小结

第七章 电荷复合交换光谱诊断(CXRS)的研究

7.1诊断中性束相关物理

7.1.1 中性束的产生

7.1.2束成份的测量

7.1.3 中性束在等离子体中的传播

7.2 CXRS相关物理

7.2.1基本过程

7.2.2寄生信号

7.2.3 CXRS测量

7.2.4 主要应用

7.3 CXRS在HT-7上的初步应用

7.3.1 诊断中性束测量

7.3.2离子温度测量

7.3.3 目前状态

7.4 本章小结

第八章总结与展望

8.1论文工作总结

8.2论文工作展望

参考文献

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简历

致谢