J-TEXT托卡馬克超聲分子束注入的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、托卡馬克等離子體需要滿足能量三重積條件，才能實(shí)現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)的自持燃燒。為了達(dá)到要求的等離子體密度，快速高效、經(jīng)濟(jì)節(jié)約的等離子體加料手段必不可少。傳統(tǒng)的普通送氣方法加料效率低，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，不能滿足將來(lái)聚變裝置的要求。因此，有必要進(jìn)一步探索新的加料方式。超聲分子束注入（SMBI）具有加料效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和用途廣泛等特點(diǎn)，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外不同磁約束聚變研究裝置上得到應(yīng)用，取得了不少進(jìn)展。弄清楚超聲分子束的注入過(guò)程以及和等離子體相互作用的機(jī)制，

2、同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有的加料手段，為托卡馬克裝置甚至是將來(lái)的聚變反應(yīng)堆提供高效的加料方案，是當(dāng)前研究需要解決的問(wèn)題。除了等離子體加料，SMBI還應(yīng)用于粒子輸運(yùn)、ELM控制、非局域電子熱輸運(yùn)、等離子體密度反饋等不同的物理實(shí)驗(yàn)研究中，成為一種良好的邊緣調(diào)制手段。本論文的主要工作為J-TEXT托卡馬克超聲分子束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和搭建，以及應(yīng)用于等離子體加料和非局域熱輸運(yùn)物理實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究。
　　本文調(diào)研了超聲分子束的形成原理，介紹了國(guó)內(nèi)外各個(gè)裝置上超聲

3、分子束系統(tǒng)的發(fā)展概況。在借鑒以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并搭建了J-TEXT托卡馬克超聲分子束系統(tǒng)。該系統(tǒng)擁有HSMBI和LSMBI兩套子系統(tǒng)，除了傳統(tǒng)的垂直注入和常溫注入以外，能夠?qū)崿F(xiàn)角度注入和低溫注入。論文介紹了系統(tǒng)的組成部分，如氣路、注入器和控制器等，并給出了系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果。通過(guò)對(duì)比J-TEXT上不同注入?yún)?shù)（如壓強(qiáng)、脈寬等）下的加料效果，研究了超聲分子束加料劑量的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同注入量下的SMBI具有不同的加料效果，主要分為適量和大量

4、兩種情況。兩者的區(qū)別在于加料的同時(shí)是否激發(fā)起磁流體不穩(wěn)定性。在適量SMBI情況下，不穩(wěn)定性不會(huì)被激發(fā)，氣體注入后能能快速、明顯提升等離子體密度，最大加料效率達(dá)到50％。在大量SMBI情況下，不穩(wěn)定性行為被激發(fā)，等離子體約束性能變差，加料效果受到影響，效率只有10%-25%。論文研究了加料效率和等離子體參數(shù)的關(guān)系，探討了超聲分子束加料方案的優(yōu)化問(wèn)題。對(duì)超聲分子束的注入過(guò)程和注入期間的等離子體行為做了相應(yīng)的分析，估計(jì)了SMBI進(jìn)入等離子體之

5、前的平均速度，并觀察了其沉積位置。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超聲分子束氣體主要沉積在限制器以內(nèi)1-2cm附近，最大注入深度能達(dá)到4cm以上。論文介紹了SMBI注入期間溫度、輻射、邊界轉(zhuǎn)動(dòng)速度和湍流等參數(shù)的時(shí)間演化過(guò)程。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在適量SMBI情況下，一定程度的電流密度峰化有助于改善等離子體約束，邊界離子飽和流和懸浮電位的漲落量下降。而在大量SMBI情況下，引起的芯部電流密度過(guò)于峰化，往往激發(fā)m=2，n=1的撕裂模不穩(wěn)定性。在J-TEXT低密度放電條件下，