托卡馬克等離子體邊界轉(zhuǎn)動的實驗研究.pdf

1、托卡馬克型磁約束核聚變作為實現(xiàn)受控?zé)岷司圩兪走x的途徑之一。托卡馬克等離子體的轉(zhuǎn)動在對改善約束性能、抑制微觀不穩(wěn)定性等方面有重要作用。現(xiàn)階段等離子體轉(zhuǎn)動的動量源主要來自于外部動量輸入，如中性粒子束注入，但受限于現(xiàn)有技術(shù)水平，外部輸入的動量將無法滿足聚變反應(yīng)堆的需求，因此在眾多裝置上發(fā)現(xiàn)的等離子體自發(fā)轉(zhuǎn)動變得非常重要。但自發(fā)轉(zhuǎn)動的產(chǎn)生機(jī)理仍然沒有理解清楚，還需要更多的研究。
　　本文以J-TEXT托卡馬克裝置為實驗平臺，對等離子體邊界

2、自發(fā)轉(zhuǎn)動的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)動剖面的建立展開了相關(guān)實驗研究。作為實驗研究的基礎(chǔ)，首先建立了一套邊界轉(zhuǎn)動診斷系統(tǒng)（ERD），可以測量等離子體雜質(zhì)離子特征線輻射光譜的弦積分信號。由于弦積分信號無法準(zhǔn)確反應(yīng)等離子體邊界環(huán)向轉(zhuǎn)動速度和離子溫度的分布情況，因此建立了以雜質(zhì)輸運方程為基礎(chǔ)的建模分析和增加測量弦數(shù)目兩種方法來推算轉(zhuǎn)動速度和離子溫度的徑向分布。本論文最終采用增加測量弦數(shù)目的方法，以滿足實驗對轉(zhuǎn)動速度和離子溫度剖面的測量要求。相比于其他測量等離子體

3、轉(zhuǎn)動的診斷方法，ERD系統(tǒng)為被動光譜測量，對等離子體的沒有影響。并且以石英光纖為光路，方便搭建和調(diào)試，減少系統(tǒng)造價，也可以降低環(huán)境對診斷系統(tǒng)的影響。
　　實驗中，我們首先觀測等離子體平衡建立過程中邊界轉(zhuǎn)動的形成過程，重點是觀測和分析不同電流爬升率和密度爬升率分別對邊界環(huán)向轉(zhuǎn)動剖面有何影響。以平衡剛建立時刻的邊界環(huán)向轉(zhuǎn)動為比較對象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，等離子體密度爬升越快，邊界等離子體達(dá)到的反電流方向轉(zhuǎn)動速度越大。而在目前J-TEXT的放電參

4、數(shù)范圍內(nèi)，還未發(fā)現(xiàn)等離子體電流爬升率對邊界環(huán)向轉(zhuǎn)動的明顯影響。但根據(jù)此實驗結(jié)果，可以確定邊界環(huán)向轉(zhuǎn)動動量源在等離子體平衡建立中就已經(jīng)存在，并對轉(zhuǎn)動分布的形成起著主導(dǎo)作用。
　　其次，考慮了在等離子體邊界轉(zhuǎn)動剖面建立過程中所涉及到的新經(jīng)典理論中的紋波離子損失效應(yīng)、離子軌道損失效應(yīng)以及粘滯效應(yīng)。我們發(fā)現(xiàn)新經(jīng)典理論預(yù)測的結(jié)果和實驗測量結(jié)果相吻合。新經(jīng)典理論的預(yù)測結(jié)果表明，對于邊界環(huán)向轉(zhuǎn)動產(chǎn)生與轉(zhuǎn)動剖面建立的主要原因是紋波損失效應(yīng)與離子軌

5、道損失效應(yīng)兩者的競爭，紋波離子損失效應(yīng)使邊界環(huán)向轉(zhuǎn)動速度朝反電流方向變化，并增大轉(zhuǎn)動速度梯度；而離子軌道損失效應(yīng)使邊界環(huán)向轉(zhuǎn)動朝同電流方向變化。低密度下離子軌道損失效應(yīng)占主導(dǎo)作用，而高密度下紋波離子損失效應(yīng)占主導(dǎo)作用。
　　最后，我們對影響J-TEXT托卡馬克等離子體邊界轉(zhuǎn)動進(jìn)行了定標(biāo)研究，主要考慮了包括等離子體電流、等離子體密度、環(huán)向磁場、安全因子、磁流體動力學(xué)（MHD）行為等因素，以確定在J-TEXT上影響轉(zhuǎn)動的主要因素。結(jié)果