J-TEXT邊界等離子體環(huán)向轉(zhuǎn)動的偏壓調(diào)制實驗研究.pdf

1、環(huán)向轉(zhuǎn)動對于托卡馬克等離子體而言具有重要的作用。一方面，環(huán)向轉(zhuǎn)動及其剪切可以增強(qiáng)內(nèi)部輸運(yùn)壘、驅(qū)動 Er×B剪切流并抑制微觀不穩(wěn)定性（湍流），從而改善等離子體的約束狀態(tài)；另一方面，足夠強(qiáng)的環(huán)向轉(zhuǎn)動還可以抑制一些危害性極大的宏觀磁流體不穩(wěn)定性，包括新經(jīng)典撕裂模和電阻壁模，因而有利于裝置的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。因此如何充分了解環(huán)向轉(zhuǎn)動的物理過程，并以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)對環(huán)向轉(zhuǎn)動剖面的優(yōu)化和控制，成為托卡馬克物理研究的一項重要內(nèi)容。目前，環(huán)向轉(zhuǎn)動相關(guān)的物理研究仍

2、存在不少難點(diǎn)，其中包括了本征環(huán)向轉(zhuǎn)動的驅(qū)動機(jī)理以及環(huán)向動量輸運(yùn)過程。
　　本文以J-TEXT裝置作為實驗平臺，對等離子體邊界的本征轉(zhuǎn)動驅(qū)動機(jī)理和動量輸運(yùn)過程展開了實驗研究。作為實驗研究的基礎(chǔ)，本文在J-TEXT托卡馬克上設(shè)計并建立了一套偏壓電極系統(tǒng)。偏壓電極系統(tǒng)作為實驗調(diào)節(jié)手段，一方面可以改變邊界的Er×B流剪切，另一方面還可以作為外加局部動量源，改變邊界的環(huán)向轉(zhuǎn)動。實驗發(fā)現(xiàn)，在正、負(fù)極性的偏壓電極下，等離子體的（主要是粒子）約束

3、性能均可被改善，伴隨著邊界徑向電場Er剪切的明顯增強(qiáng)以及湍動粒子輸運(yùn)通量的抑制。J-TEXT邊界本征環(huán)向轉(zhuǎn)動是朝向同電流方向的。偏壓電極可有效改變邊界環(huán)向轉(zhuǎn)動：正偏壓下，邊界環(huán)向轉(zhuǎn)動向同電流方向變化，負(fù)偏壓下則向反電流方向變化；統(tǒng)計結(jié)果顯示邊界環(huán)向轉(zhuǎn)動與偏壓電流大小基本呈線性關(guān)系。在不同偏壓條件下，（環(huán)向）雷諾協(xié)強(qiáng)項始終主導(dǎo)了湍動動量輸運(yùn)過程。隨著局部徑向電場 Er剪切的增強(qiáng)，雷諾協(xié)強(qiáng)和湍動動量輸運(yùn)通量均顯著減小，反映了 Er剪切對局部

4、湍動輸運(yùn)的普適的抑制作用。實驗中通過加負(fù)偏壓（偏壓電流約-60A），成功地置零了邊界環(huán)向轉(zhuǎn)動，并分別測得了邊界殘余協(xié)強(qiáng)和本征力矩密度的分布。將殘余協(xié)強(qiáng)對應(yīng)的力矩密度與本征力矩密度進(jìn)行直接對比后，發(fā)現(xiàn)兩者能較好地相符，從而為“殘余協(xié)強(qiáng)驅(qū)動本征轉(zhuǎn)動”這一理論預(yù)言提供了直接的實驗證據(jù)。基于微擾法，利用偏壓電極調(diào)制，初步估算了局部等離子體（歸一化小半徑ρ=0.68–0.9）環(huán)向動量輸運(yùn)系數(shù)（包括擴(kuò)散系數(shù)χφ和對流速度Vconv）的徑向分布。結(jié)果