EAST台基湍流对边界局域模影响的实验研究

摘要

随着科技的不断进步，人类对能源使用日益增长。受控热核聚变因原料极其丰富，释放能量巨大，并且核聚变能源几乎不会对环境有任何的污染，是未来能源发展中最有潜力的一种清洁能源。目前，托卡马克(Tokamak)是研究核聚变的主流装置，伴随着高约束模(H-mode)的出现，等离子体台基区由剥离-气球模(Peeling-Ballooning mode)驱动的边界局域模(Edge Localized Mode，ELM)，将释放出大量的瞬态热量，沿着磁力线冲击在偏滤器和第一壁上，在未来的发展中，面临的最大挑战之一就是等离子体与壁的相互作用(Plasma-Wall Interaction，PWI)，若不对ELM进行控制，对于未来反应堆，热负荷对偏滤器靶板的侵蚀将会是非常致命。另外，大量的实验证明，台基湍流在ELM爆发和台基演化中起着重要作用。因此，对ELM及台基湍流的相关物理问题的研究至关重要，这也是本文总结研究EAST上ELM行为特征的原因。
　　本文统计了EAST上2015年高βN（最大值大于1.5）等离子体中ELM频率(fELM)和能量损失（WELM）与加热功率的依赖关系，发现ELM频率随着通过分界面(sparatrix)的功率(Psep)的升高而增大，并且WELM不随Psep明显变化，符合Ⅰ类ELM特征。经过计算，ELM频率大概在40Hz～120Hz范围内，单次ELM能量损失约为总储能的3％～6％。同时，在放电条件参数相似情况下，出现了频率更低的ELM，能量损失与一般的ELM差别不大，在这称为反常ELM(abnormal ELM)。进一步研究发现，在反常ELM出现期间，在密度和温度频谱上都观测到了频率为16kHz，环向模数为15的相干模(Coherent mode，CM)。对反常ELM出现机制进行了讨论，反常ELM的出现主要与边界台基大幅度CM的出现有关，在inter-ELM阶段台基湍流的出现，增强了台基的粒子和能量输运，使得边界台基压力梯度的恢复更加缓慢，即出现更低频率的ELM。
　　对于CM幅度增强的机制尚不清楚，分析发现有重金属杂质粒子进入等离子体，同时观测到辐射功率的增强，可能的原因是金属杂质流导致台基碰撞率增加，使得CM变得更加不稳定。另外，inter-ELM期间，很多台基湍流在台基演化中所起作用的物理机制，仍没有得到很好的理解，随着未来高分辨率的诊断系统的发展，比如微波反射仪，电子回旋辐射计和边界汤姆逊散射仪等等，可以得到更好的密度和温度的台基剖面，在未来的研究中将起着至关重要的帮助。

目录

声明

摘要

第1章 核聚变与托卡马克

1．1 引言

1．2 核聚变与等离子体

1．2．1 核聚变基本原理

1．2．2 等离子体基本概念与约束模式

1．3 磁约束托卡马克

1．4 托卡马克运行与高约束模式

1．4．1 等离子体运行模式

1．4．2 L-H跃迁和H模阈值功率

1．4．3 L-H跃迁理论模型

1．5 等离子体与壁的相互作用

1．6 中国核聚变能源发展研究

1．6．1 EAST超导托卡马克

1．6．2 中国聚变工程实验堆CFETR

第2章 边界局域模研究综述

2．1 H模台基结构与ELM的爆发

2．2 边界局域模的分类

2．3 边界局域模的理论模型

2．4 边界局域模的控制方法

2．4．1 增强输运抑制ELM机制

2．4．2 ELM主动触发机制

2．5 EAST上边界局域模的行为特征

第3章 边界湍流对台基演化的实验研究

3．1 等离子体湍流与输运

3．2 EAST上台基湍流的实验研究

3．2．1 EAST上inter-ELM期间台基湍流观测

3．2．2 EAST上相干模对台基区粒子输运影响的实验研究

3．3 其它主要装置上台基湍流的实验研究

3．4 边界局域模控制实验中的台基湍流

第4章 EAST长脉冲高βN放电实验进展

4．1 高βN放电实验背景及意义

4．2 高βN放电实验结果

4．2．2 ITER-like钨偏滤器位型下高βN放电

4．2．3 更高约束性能的ITB运行模式

4．3 维持高βN放电的几个关键问题

4．3．1 可靠的高功率加热条件

4．3．2 杂质辐射控制

4．3．3 ITB动力学研究

4．3．4 其它βN崩塌机制

第5章 EAST高βN放电中边界局域模的实验研究

5．1 实验背景和数据分析方法的介绍

5．1．1 实验背景以及相关诊断

5．1．2 ELM频率与能量损失的计算

5．2 高加热功率放电下ELM的行为特征

5．3 inter-ELM期间台基湍流的分析

5．4 相干模幅度对ELM频率的影响

5．5 台基恢复过程守恒关系与台基的演化

5．6 影响相干模幅度的相关讨论

第6章 总结与展望

6．1 主要工作总结

6．2 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研究成果