發(fā)布時(shí)間：2020-11-16 16:02

　　 在托卡馬克中,弱、負(fù)磁剪切的等離子體運(yùn)行模式是實(shí)現(xiàn)未來(lái)實(shí)驗(yàn)聚變堆的有力途徑之一,這種高效模式的運(yùn)行有助于形成中空的電流分布,建立內(nèi)部輸運(yùn)壘,進(jìn)而改善等離子體芯部的約束狀態(tài),實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)脈沖的有效運(yùn)行。在實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)對(duì)等離子體電流的優(yōu)化控制,可以實(shí)現(xiàn)弱、負(fù)磁剪切的等離子體長(zhǎng)脈沖運(yùn)行,但是由于歐姆加熱的伏秒數(shù)有限,其驅(qū)動(dòng)的等離子體電流也有限,所以必須借助于外部的輔助加熱系統(tǒng)來(lái)有效驅(qū)動(dòng)等離子體電流,實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制以達(dá)到高效的等離子體運(yùn)行模式。外部輔助加熱系統(tǒng)主要包括中性束注入(Neutral Beam Inj ection)、電子回旋加熱(Electron cyclotron resonance heating,ECRH)、離子回旋加熱(Icon cyclotron resonance heating,ICRH)以及低雜波電流驅(qū)動(dòng)(Lower hybrid current drive,LHCD),其中低雜波電流驅(qū)動(dòng)在各個(gè)裝置上都被證明是最有效的驅(qū)動(dòng)方式之一。于是,研究低雜波驅(qū)動(dòng)的等離子體電流并對(duì)其加以控制,是實(shí)現(xiàn)等離子體高約束運(yùn)行模式的關(guān)鍵所在。在EAST全超導(dǎo)托卡馬克上,通過(guò)低雜波系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)等離子體電流已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了L和H模的等離子體運(yùn)行,證明了低雜波可以有效驅(qū)動(dòng)非感應(yīng)電流。但是低雜波驅(qū)動(dòng)的電流沉積在什么位置以及在不同的參數(shù)下其有何變化,這些問(wèn)題一直沒(méi)有相應(yīng)的診斷系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其有效的測(cè)量。2014年,POINT(POlarimeter-INTerferometer)偏振干涉儀系統(tǒng)在EAST上搭建成功,并于2015年實(shí)驗(yàn)中從原始的5道測(cè)量升級(jí)為11道水平測(cè)量,可以完成對(duì)等離子體電子密度和法拉第旋轉(zhuǎn)角的同時(shí)測(cè)量,其中法拉第旋轉(zhuǎn)角跟等離子體電流在小環(huán)方向產(chǎn)生的磁場(chǎng)有關(guān),因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體電流的有效測(cè)量。POINT系統(tǒng)具有較高的時(shí)間分辨率,而且滿足在長(zhǎng)脈沖以及多種加熱方式下穩(wěn)定測(cè)量,這些優(yōu)點(diǎn)都使得POINT系統(tǒng)成為EAST上等離子體電流的有效測(cè)量工具。本文主要圍繞POINT系統(tǒng)對(duì)等離子體電流的測(cè)量展開(kāi)。首先介紹了偏振干涉儀測(cè)量的基本原理以及列舉了EAST上POINT系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù),其次,結(jié)合系統(tǒng)的誤差分析著重介紹了光路中的雜散光對(duì)法拉第旋轉(zhuǎn)角測(cè)量的影響,并通過(guò)理論分析建立了該誤差項(xiàng)的物理模型,在該模型的基礎(chǔ)上相應(yīng)地在硬件上做了改進(jìn)以及在數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)兩種方式結(jié)合提高了法拉第旋轉(zhuǎn)角的測(cè)量精度。之后闡述了如何利用POINT測(cè)量數(shù)據(jù)約束EFIT平衡反演獲得等離子體電流分布,并通過(guò)將動(dòng)理學(xué)EFIT反演與POINT測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合反演得到了更為可靠的等離子體電流分布。利用POINT數(shù)據(jù)與動(dòng)理學(xué)EFIT反演結(jié)合得到的等離子體電流,研究了在不同參數(shù)下低雜波驅(qū)動(dòng)的等離子體電流的沉積位置,并且開(kāi)發(fā)了一種利用POINT實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)推斷低雜波驅(qū)動(dòng)的等離子體電流沉積位置的方法,為未來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體電流分布的控制提供了參考。基于可靠的電流分布的測(cè)量及對(duì)低雜波驅(qū)動(dòng)下電流分布演化的研究,在EAST長(zhǎng)脈沖高參數(shù)放電中對(duì)電流分布進(jìn)行了優(yōu)化,得到了具有內(nèi)部輸運(yùn)壘的各種長(zhǎng)脈沖高參數(shù)放電中優(yōu)化的電流分布和輸運(yùn)特征。在具有優(yōu)化電流分布(平坦的電流分布,芯部q略大于1)的長(zhǎng)脈沖穩(wěn)態(tài)放電中,觀察到了 1/1的撕裂膜和內(nèi)扭曲模,這些磁擾動(dòng)與電流輸運(yùn)的非線性耦合也許是維持平坦電流分布的可能原因。本文進(jìn)一步基于POINT測(cè)量對(duì)GAM現(xiàn)象進(jìn)行了物理實(shí)驗(yàn)研究,并在POINT測(cè)量的電子密度數(shù)據(jù)上看到了H模下GAM引起的密度漲落,驗(yàn)證了其極向模數(shù)為1的特征。本文的研究對(duì)電流分布的優(yōu)化及改善約束,乃至未來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流分布的實(shí)時(shí)控制提供了物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TL631.24
【部分圖文】：

］Ｈ?＋＼Ｈ?＾Ｈｅ＋?Ｉｎ人類己經(jīng)在地球上實(shí)現(xiàn)了不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸，但是間內(nèi)產(chǎn)生巨大能量，很難被收集起來(lái)被人類利用，所以為了將核聚為人類所用，必須對(duì)核聚變反應(yīng)的速度以及反應(yīng)規(guī)模進(jìn)行人為的控反應(yīng)生成能量的平穩(wěn)輸出，即對(duì)整個(gè)核聚變反應(yīng)過(guò)程的控制。核聚高溫和高壓的環(huán)境下進(jìn)行。在太陽(yáng)上，巨大的太陽(yáng)帶來(lái)的萬(wàn)有引力供了非常大的壓力，而且太陽(yáng)中心溫度極高，約有１５００萬(wàn)攝氏度，變反應(yīng)可以在太陽(yáng)上源源不斷地進(jìn)行。但是在地球上，由于沒(méi)有足夠供類似于太陽(yáng)內(nèi)部的壓力，這就使得壓力的不足只能通過(guò)溫度的提溫度必須達(dá)到上億度才能滿足聚變反應(yīng)的條件。在地球上沒(méi)有任何能夠承受核聚變?nèi)绱烁叩臏囟龋�因此如何有效地�?duì)發(fā)生的核聚變反實(shí)現(xiàn)可控核聚變必須要解決的問(wèn)題。??在實(shí)現(xiàn)可控核聚變的研宄道路上，科學(xué)家相繼提出了慣性約束和磁慣性約束核聚變是一種脈沖式的聚變反應(yīng)，其主要利用高能量的脈一

１?ＬＷ＾?Ｈｅｌｉｕｍ??Ｎｅｕｔｒｏｎ??圖１．１核聚變反應(yīng)示意圖??］Ｈ?＋＼Ｈ?＾Ｈｅ＋?Ｉｎ?（１．１）??人類己經(jīng)在地球上實(shí)現(xiàn)了不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸，但是由于其在??短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生巨大能量，很難被收集起來(lái)被人類利用，所以為了將核聚變產(chǎn)生的??能量為人類所用，必須對(duì)核聚變反應(yīng)的速度以及反應(yīng)規(guī)模進(jìn)行人為的控制，以實(shí)??現(xiàn)對(duì)反應(yīng)生成能量的平穩(wěn)輸出，即對(duì)整個(gè)核聚變反應(yīng)過(guò)程的控制。核聚變反應(yīng)需??要在高溫和高壓的環(huán)境下進(jìn)行。在太陽(yáng)上，巨大的太陽(yáng)帶來(lái)的萬(wàn)有引力為聚變反??應(yīng)提供了非常大的壓力，而且太陽(yáng)中心溫度極高，約有１５００萬(wàn)攝氏度，使得核??聚變反應(yīng)可以在太陽(yáng)上源源不斷地進(jìn)行。但是在地球上，由于沒(méi)有足夠的萬(wàn)有引??力提供類似于太陽(yáng)內(nèi)部的壓力

同低雜波一同驅(qū)動(dòng)了?２ＭＡ的等離子體電流在ＤＩＩＩ－Ｄ的實(shí)驗(yàn)中，利用快波電??流驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了等離子體電流分布在中心處的峰化［１６］。??１．１．４低雜波電流驅(qū)動(dòng)??低雜波電流驅(qū)動(dòng)是射頻波電流驅(qū)動(dòng)中最為有效的一種方式，其驅(qū)動(dòng)原理為通??過(guò)低雜波電線輻射的不對(duì)稱譜的低雜波能量，使得入射的低雜波在環(huán)向傳播的動(dòng)??量具有單向性，這樣具有單向動(dòng)量的波在沿環(huán)向傳播時(shí)，與等離子體中的共振電??子通過(guò)有效的朗道阻尼，將低雜波攜帶的能量傳遞給等離子體中的電子，從而形??成了電子密度分布的共振區(qū)平臺(tái)，生成了一個(gè)由高能電子攜帶的等離子體電流。??低雜波不僅可以用于驅(qū)動(dòng)等離子體電流，而且可以有效地調(diào)節(jié)等離子體電流的密??度分布，以此來(lái)改善等離子體的約束狀態(tài)。在ＪＴ－６０Ｕ的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)改變低雜??波的注入?yún)��?shù)成功改善了等離子體的約束狀態(tài)，使得反剪切的等離子體位形持續(xù)??維持了?７．５ｓｌ１７］。同時(shí)在ＪＴ－６０Ｕ的實(shí)驗(yàn)中，還通過(guò)對(duì)比低雜波、電子回旋波以及??中性束注入條件下的電流驅(qū)動(dòng)效率驗(yàn)證了低雜波驅(qū)動(dòng)等離子體電流比其他方式??更為有效??
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