J-TEXT上逃逸电子和等离子体电流猝灭特征研究

摘要

托卡马克放电实验中经常会出现破裂现象,具体表现为热能和磁能急剧损失,等离子体电流迅速衰减。破裂的危害主要体现在三个方面:热沉积、电磁力和逃逸电子。目前已经找到有效的方法来缓解前两种危害,如大量气体注入和弹丸注入等,但对于未来的反应堆量级的装置来说始终没有有效的方法来完全抑制逃逸电子。在电流猝灭阶段,等离子体电流很容易转化为高能逃逸电子束,这会对装置的安全运行造成严重的威胁。因此,逃逸电子的行为研究以及围绕破裂进行的物理实验研究是十分有意义的。
　　逃逸电子撞击到限制器上会发生厚靶韧致辐射产生高能硬X射线(HXR)。根据逃逸电子行为研究的需要,J-TEXT上建立了NaI(Tl)闪烁探测器阵列来测量0.5~10MeV的HXR。阵列包含5个探测器,均置于托卡马克赤道面上。其中3个探测器分别为前向(迎着电子)、径向和背向的布局方式,剩下的没有经过准直的两个探测器探测中平面上的辐射。基于这套探测阵列和其他诊断系统,J-TEXT托卡马克上开展了一系列与逃逸电子和破裂相关的实验。
　　研究了磁扰动对逃逸电子输运的影响。由于对磁扰动敏感,逃逸电子经常被当作研究磁扰动的“探针”。实验中产生磁扰动的方法有两种,一是控制等离子体在水平方向整体平移,二是外加扰动场。在等离子位移实验中,HXR的通量会随着等离子体整体内移而增强,随等离子体整体外移而减弱。外加扰动场实验中,如果发生穿透现象,逃逸电子的径向输运会因为穿透形成大的磁岛而增强。此外,扰动场的电流幅值、相位和平顶时间都会对逃逸电子的输运产生影响。
　　分析了等离子体电流猝灭特征。选取了90-10％和80-20%的等离子体电流衰减区间对平均电流猝灭时间和最大瞬时电流猝灭速率进行了统计。研究了不同纵场下电流猝灭时间与边界安全因子的关系。J-TEXT上观察到的电流猝灭可分为两类:快猝灭和慢猝灭。快猝灭的电流波形通常用线性拟合的较好,而慢猝灭电流波形则更符合指数衰减的情形。
　　以常规脉冲送气(GP)和超声分子束送气(SMBI)为加料手段,进行了纯H2、纯He、纯Ne、纯Ar及不同比例的(Ne,H2)、(Ar,H2)混合气体注入下的等离子体主动关断实验研究。研究内容为:单脉冲送气下,不同气体种类、气压和送气脉宽对电流猝灭时间和破裂延迟的影响;双脉冲送气对电流猝灭的加速作用。实验结果表明:在注气量未饱和时,电流猝灭时间和破裂延迟时间都会随着气量的增加而变小,气量达到饱和后,两者都趋于稳定值;双脉冲注气可能会加速电流猝灭;高Z气体比低Z气体更能加速电流猝灭,但低Z气体在等离子体中运动的更快。
　　研究了破裂时的逃逸电流特征,包括逃逸电流的产生阈值和抑制方法。通过扫描纵场和等离子体电流,发现J-TEXT上产生逃逸电流的条件为纵场不小于2.2T且等离子体电流不大于200kA。为了避免逃逸电子带来的危害,J-TEXT利用GP注H2的方法进行了逃逸电子的抑制实验。当注入少量气体时有稳定的逃逸电流平台产生,增大送气脉宽后则没有逃逸电流出现。这表明一定量的气体注入可能会对逃逸产生抑制作用。

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1 绪论

1.1 可控核聚变与托卡马克

1.2 等离子体破裂的研究意义

1.3 逃逸电子的研究意义

1.4 本论文的研究意义和内容安排

2 托卡马克中的逃逸电子理论

2.1 高温等离子体中的辐射

2.2 逃逸电子的产生机制

3 硬X射线诊断系统

3.1 硬X射线诊断系统的构成

3.2 硬X射线诊断系统的布局

3.3 硬X射线诊断系统的实际操作

4 磁扰动对逃逸电子输运的影响

4.1 等离子体位移实验

4.2 RMP对逃逸电子输运的影响

4.3 小结

5 等离子体电流猝灭特征研究

5.1 电流猝灭分析方法

5.2 快电流猝灭

5.3 慢电流猝灭

5.4 电流猝灭分析

5.5 小结

6 等离子体主动关断实验的研究

6.1 GP送气下J-TEXT托卡马克上的主动关断实验

6.2 SMBI送气下J-TEXT托卡马克上的主动关断实验

6.3 小结

7 破裂时逃逸电流平台的研究

7.1 逃逸电流的产生阈值

7.2 逃逸电子的抑制

7.3 小结

8 总结和展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录