HL-2A装置上超声分子束缓解边缘局域模的实验研究

摘要

具有I类边缘局域模不稳定性（ELM）的高约束模式（H模）是普遍存在的模式，因其具有较高的约束性能和最高的运行空间宽度，被选定为国际热核聚变实验堆（ITER）运行的基本运行方案。但是ELM会使等离子体在瞬间排出非常高的粒子和能量，特别是在ITER运行参数下ELM造成的能量冲击将远远超过工程预期，将严重影响偏滤器靶板部件的使用寿命,也会腐蚀主真空室第一壁材料。抑制或者缓解ELM是ITER长期稳定安全运行必须要解决的重要问题。实验研究发现超声分子束注入（SMBI）既可以用于送气加料以补充粒子损失并达到更高的等离子体密度，同时也可以实现ELM的缓解，在磁约束聚变中具有重要意义。
　　本论文主要研究了在超声分子束注入（SMBI）期间ELM缓解的特征，重点研究了超声分子束注入在等离子体的沉积深度与ELM缓解效果之间的关系，分析了在ELM缓解期间湍流径向相关性的变化，初步开展了基于沙堆模型的模拟分析。
　　在ELM的形态特征研究方面：采用概率密度分布方法，对ELM形态进行了分析，得到了三种清晰的分布。分别对应着ELM爆发上升沿、下降沿以及ELM-Free阶段，其中ELM下降沿和ELM-Free分布形式为两种高斯分布，这意味着等离子体涨落处于一种近似随机的形式，处于稳态。而在ELM爆发的上升阶段，ELM的尺度呈现出幂律分布的形式，此时等离子体处于自组织临界状态。
　　在SMBI缓解ELM研究方面：利用高分辨调制连续波（FMCW）反射诊断测量台基区的密度剖面，在SMBI注入后密度剖面变化最大的位置为SMBI沉积位置，获得了SMBI沉积位置与边缘局域模（ELM）的缓解的关系。发现SMBI对ELM的缓解效果随注入深度而不同，首次在实验上观测到，当加料沉积到台基区内，深度约台基宽度20％的位置时其对ELM缓解效果最为显著，最高可将ELM频率提高近十倍，幅度降低到约缓解前的一半。文章最后使用改进的沙堆模型结合实验观测模拟了ELM的爆发，并定性的研究了SMBI不同沉积位置对ELM的缓解，得到了和实验一致的结果。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 ELM研究基础

1.2.1 H模与输运垒

1.2.2 ELM分类及其特征

1.2.3 剥离-气球模

1.3 ELM控制方法

1.3.1 垂直位移抖动

1.3.2 共振磁场扰动

1.3.3 电子回旋调制

1.3.4 低混杂波加热

1.3.5 杂质气体注入

1.3.6 弹丸定步注入

1.3.7 超声分子束注入

1.4 本文主要研究内容

2 HL-2A托卡马克ELM控制研究实验条件

2.1 HL-2A装置简介

2.2 加热系统

2.2 加料系统

2.3 诊断系统

2.3.1 调频连续波反射计

2.3.2 多普勒反射计

2.3.3 Hα辐射谱线强度测量

3 超声分子束缓解ELM的实验研究

3.1 ELM形态特征

3.2 台基结构

3.3 SMBI缓解效果

3.4 SMBI沉积深度对ELM缓解的影响

3.5 ELM缓解期间湍流的影响

4 ELM缓解理论模拟与分析研究

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及科研成果

致谢