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)長脈沖的有效運(yùn)行。在實(shí)驗(yàn)中,通過對等離子體電流的優(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)來有效驅(qū)動(dòng)等離子體電流,實(shí)現(xiàn)對電流的控制以達(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,這些問題一直沒有相應(yīng)的診斷系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對其有效的測量。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道測量升級為11道水平測量,可以完成對等離子體電子密度和法拉第旋轉(zhuǎn)角的同時(shí)測量,其中法拉第旋轉(zhuǎn)角跟等離子體電流在小環(huán)方向產(chǎn)生的磁場有關(guān),因此可以實(shí)現(xiàn)對等離子體電流的有效測量。POINT系統(tǒng)具有較高的時(shí)間分辨率,而且滿足在長脈沖以及多種加熱方式下穩(wěn)定測量,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量工具。本文主要圍繞POINT系統(tǒng)對等離子體電流的測量展開。首先介紹了偏振干涉儀測量的基本原理以及列舉了EAST上POINT系統(tǒng)的測量數(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法拉第旋轉(zhuǎn)角測量的影響,并通過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,通過兩種方式結(jié)合提高了法拉第旋轉(zhuǎn)角的測量精度。之后闡述了如何利用POINT測量數(shù)據(jù)約束EFIT平衡反演獲得等離子體電流分布,并通過將動(dòng)理學(xué)EFIT反演與POINT測量數(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,并且開發(fā)了一種利用POINT實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)來推斷低雜波驅(qū)動(dòng)的等離子體電流沉積位置的方法,為未來實(shí)現(xiàn)對等離子體電流分布的控制提供了參考�；�于可靠的電流分布的測量及對低雜波驅(qū)動(dòng)下電流分布演化的研究,在EAST長脈沖高參數(shù)放電中對電流分布進(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測量對GAM現(xiàn)象進(jìn)行了物理實(shí)驗(yàn)研究,并在POINT測量的電子密度數(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。本文的研究對電流分布的優(yōu)化及改善約束,乃至未來實(shí)現(xiàn)對電流分布的實(shí)時(shí)控制提供了物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：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，很難被收集起來被人類利用，所以為了將核聚為人類所用，必須對核聚變反應(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，即對整個(gè)核聚變反應(yīng)過程的控制。核聚高溫和高壓的環(huán)境下進(jìn)行。在太陽上，巨大的太陽帶來的萬有引力供了非常大的壓力，而且太陽中心溫度極高，約有１５００萬攝氏度，變反應(yīng)可以在太陽上源源不斷地進(jìn)行。但是在地球上，由于沒有足夠供類似于太陽內(nèi)部的壓力，這就使得壓力的不足只能通過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。在地球上沒有任何能夠承受核聚變?nèi)绱烁叩臏囟�，因此如何有效地對發(fā)生的核聚變反實(shí)現(xiàn)可控核聚變必須要解決的問題。??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)對反應(yīng)生成能量的平穩(wěn)輸出，即對整個(gè)核聚變反應(yīng)過程的控制。核聚變反應(yīng)需??要在高溫和高壓的環(huán)境下進(jìn)行。在太陽上，巨大的太陽帶來的萬有引力為聚變反??應(yīng)提供了非常大的壓力，而且太陽中心溫度極高，約有１５００萬攝氏度，使得核??聚變反應(yīng)可以在太陽上源源不斷地進(jìn)行。但是在地球上，由于沒有足夠的萬有引??力提供類似于太陽內(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??過低雜波電線輻射的不對稱譜的低雜波能量，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，以此來改善等離子體的約束狀態(tài)。在ＪＴ－６０Ｕ的實(shí)驗(yàn)中，通過改變低雜??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，還通過對比低雜波、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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