EAST杂质注入实验中的辐射行为研究

摘要

在高温等离子体核聚变实验装置托卡马克上，随着加热功率的提高，高的热功率沉积不仅会对第一壁和偏滤器靶板材料造成损伤，而且容易引起杂质含量的增加。特别是在金属壁条件下，高Z杂质的聚芯会影响等离子体约束，甚至导致破裂。辐射损失是重要的功率损失方式之一。通过外部再循环杂质注入的方式来增加等离子体辐射比例是一种缓解热流的有效方法。然而注入杂质引起的辐射又在很大程度上主导总辐射功率和辐射功率密度分布，进而会影响等离子体的基本参数分布和约束性能。因此，在国内外多数聚变实验装置上均开展了杂质注入实验研究。EAST装置近年来也相继开展了氩氘混合（Ar+D2）气体注入、氖氘混合(Ne+D2)气体注入及纯氖(Ne)注入等辐射冷却实验。本文主要研究了EAST杂质注入实验中的辐射特性，为今后高功率长脉冲放电中发展高辐射实时反馈控制技术提供数据参考，具有重要的意义。
　　本论文主要利用EAST装置上现有的AXUV(Absolute Extreme Ultraviolet)光电二极管阵列诊断系统，结合EUV（extreme ultraviolet）光谱诊断和W偏滤器光谱诊断分析研究了Ar、Ne杂质注入实验中的辐射行为。AXUV硅半导体光电二极管测量阵列具有宽的能量响应范围，适用于在EAST装置上的绝对辐射功率测量。文中采用傅里叶-贝塞尔反演的方法对AXUV多通道弦积分测量数据进行了处理，得到了主等离子体区的辐射发射率分布。通过增加边界约束的方法对算法进行了优化，降低了算法中的零边界假设带来的误差，提高了数据的可靠性。本文采用基于日冕模型的模拟程序模拟了杂质注入实验中的辐射分布，并将其与实验测量数据进行了对比分析，二者基本一致。在Ar杂质注入实验中，Ar离子引起的辐射层主要局域在ρ～0.7-0.9的位置，而对于Ne注入实验，其辐射层更靠外。实验分析发现不同的注入杂质、不同的注入位置对辐射分布、辐射损失比例以及壁材料的溅射均有影响。在EAST杂质注入实验中还观察到了由注入杂质触发的MHD现象和缓解MHD的现象，分析表明这些现象形成的机制与杂质注入后电子温度、电子密度及电流剖面的变化有关。此外，还分析了杂质注入在等离子体边界极易形成的X点MARFE和脱靶现象。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 磁约束聚变研究背景

1．2 EAST托克马克

1．3 聚变等离子体中的辐射行为综述

1．4 杂质注入实验研究现状

1．5 本论文的研究意义和研究内容

第2章 EAST杂质注入等离子体区辐射行为研究

2．1 EAST上辐射功率及杂质辐射测量

2．1．1 EAST上AXUV辐射量热诊断系统

2．1．2 辐射发射率反演算法及优化

2．1．3 本研究主要相关系统介绍

2．2 Ar／Ne杂质注入主等离子体区辐射行为实验分析

2．2．1 Ar注入实验分析

2．2．2 Ne注入实验分析

2．2．3 辐射损失比例统计分析

2．3 杂质注入主等离子体区辐射行为模拟分析

2．3．1 日冕模型

2．3．2 Ar杂质注入模拟分析

2．4 杂质注入边缘区辐射行为初步分析

2．4．1 不同充气位置边界辐射分布

2．4．2 不同约束模式下辐射行为

2．4．3 脱靶过程中辐射演化

2．4．4 杂质注入后MARFE现象

2．5 本章小结

第3章 杂质注入触发MHD及缓解W聚芯时辐射行为研究

3．1 MHD不稳定性形成机制

3．2 杂质注入触发MHD不稳定性

3．2．1 杂质溅射

3．2．2 杂质注入触发MHD时辐射演化行为

3．3 杂质注入缓解MHD不稳定性行为分析

3．4 本章小结

第4章 总结及展望

4．1 论文工作总结

4．1．1 杂质注入等离子体区辐射行为分析

4．1．2 杂质注入与等离子体不稳定性分析

4．2 工作展望

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