用于HL-2A的快离子损失探针系统研究

闪烁快离子损失探针是聚变装置上诊断高能粒子的重要工具,可对损失离子能量和俯仰角进行同时测定. 根据环流器二号（HL-2A）托卡马克装置上的具体测量要求,研制了一套可移动式的闪烁体快离子损失探针,并完成了在HL-2A上的安装和调试. 该探针系统在有中性束加热的等离子体放电情形下实现了对损失快离子的探测,采集到了损失离子图像信息. 根据已取得的初步实验结果,对HL-2A装置上的快离子损失探针系统的进一步完善进行了分析讨论.     

托卡马克中聚变中子的能谱测量

大、中型托卡马克在D-D和D-T运行条件下聚变中子能谱测量具有重要意义。论述了几种最新的聚变中子能谱仪,评估了各种聚变中子能谱仪的优势、适用的范围和技术方面的局限性,并对即将建成的HL-2A(中国环流器二号A)托卡马克的聚变中子的泄漏能谱测量以及研究聚中子在通过中子倍增剂过程中的能谱变化,在聚变中子能谱诊断方面提供了几种可供选择的技术方案。     

“东方超环”创两项世界纪录

正本刊讯近日,被称为"人造太阳"实验装置的东方超环(EAST)超导托卡马克2012年物理实验顺利结束,创造了两项托卡马克运行的世界纪录:获得超过400秒的2000万度高参数偏滤器等离子体;获得稳定重复超过30秒的高约束等离子体放电,标志着我国在稳态高约束等离子体研究方面走在世界前列。高参数、高约束模式偏滤器等离子体是未来聚变托卡马克放电的最基本运行方式。     

我国磁约束聚变研究进展和展望

我国磁约束聚变近年来在工程技术发展和物理研究方面都取得了一些重要进展,一些研究已与未来聚变反应堆所涉及的重大前沿课题密切相关。随着HL-2A装置的不断完善和国际上第一个非圆截面全超导托卡马克EAST的投入运行,以及中国加入国际热核实验反应堆计划,为中国聚变事业带来了前所未有的发展机遇。     

EAST全超导托卡马克高约束稳态运行实验研究进展

开发安全、清洁的核聚变能,最终解决人类能源危机是聚变科学与技术研究的终极目标. 21世纪初启动建设的国际热核聚变实验堆(ITER)项目,促使聚变能开发朝商业应用迈进了一大步.具有ITER类似结构的托卡马克(Tokamak)磁约束聚变装置开展的等离子体放电实验,成为了现阶段聚变能开发研究的焦点.中国科学院等离子体物理研究所自主设计、建造的全超导托卡马克EAST,面向未来聚变反应堆关键的工程与物理问题开展了大量的探索研究.其中,在关于聚变反应堆能否经济实用地投入商用发电的高约束稳态运行实验研究方面,取得了一系列重大突破.继2012年实现400 s低约束模长脉冲运行、验证系统长脉冲运行能力之后, 2017年EAST又刷新了高约束模等离子体放电运行时间的世界纪录,成为首个具备100 s量级高约束模准稳态运行能力的托卡马克装置,并且首次触及到了磁约束聚变等离子体中最长的时间尺度——粒子平衡时间.为面向反应堆燃烧等离子体第一壁高热负荷承载,高约束边界局域模抑制以及长时间稳态运行控制的工程与物理问题的开拓研究,提供了国际磁约束聚变界最好的实验平台.现已在EAST上开展了钨铜水冷偏滤器、锂化第一壁、射频波电流驱动、弹丸注入、精确磁面位形控制、边界局域模和高热负荷缓解等一系列相关实验,并取得了重要的研究进展.     

封面说明

<正>本期出版了"中国磁约束聚变科学技术研究进展"专题.有着"人造太阳"之称的磁约束热核聚变是解决人类未来能源危机的最终途径.中国依托东方超环(EAST)和环流器二号(HL-2A)两个托卡马克装置的实验研究成果和参与国际热核聚变实验堆(ITER)的设计建造经验,全面启动了中国聚变工程实验堆(CFETR)的物理     

EAST托卡马克等离子体电流和位形演化的数值模拟

EAST托卡马克是世界上第一台全超导托卡马克装置.文章利用普林斯顿大学开发的著名托卡马克模拟程序对EAST的首轮放电中等离子体电流和位形的控制进行了数值模拟,获得的结果与实验吻合得很好,说明控制系统的稳定性.同时模拟结果对EAST今后开展等离子体平衡和控制系统设计有重要的参考价值.     

HL-2A托卡马克等离子体中的离散阿尔芬本征模

在HL-2A装置上,运用磁流体力学数值模拟程序,探究了在低杂波辅助加热放电方案中,低杂波能量沉积区域内的离散阿尔芬本征模(αTAE,α是等离子体压强梯度的标度)的物理特征;探讨了不同等离子体剖面下,αTAE的分布情况.运用线性回旋动理学和磁流体力学混合模拟程序,研究了中性束注入不同能量的粒子对αTAE的影响;另外,还探究了能量沉积区域内的αTAE被高能量粒子激发成不稳定性的物理特征.通过模拟发现,在该装置上α的值相对较小,αTAE主要分布在负磁剪切区域.在低杂波能量沉积区域内伴有丰富的αTAE,且低杂波能量沉积量越大,αTAE频率越高.此外,在不同等离子体剖面下,大量αTAE被束缚于沿HL-2A托卡马克小半径方向上的不同区域.随着中性束注入粒子能量逐渐增大,αTAE的多支模也被激发成不稳定模式,这种不稳定模式潜在影响托卡马克对等离子体的约束性能.     

中国环流器二号A(HL-2A)实验进展

中国环流器二号A(HL-2A)装置经过最近2年的改进和提高,电子回旋加热功率达到2MW,增加了液氮温度分子束加料系统,三台阶带状流探针阵列、微波反射仪和汤姆逊散射等诊断系统等。利用其所具备的条件,在该装置上开展先进托卡马克实验,进行了磁约束聚变科学关键课题的研究;在若干领域,取得了重要物理实验成果,包括首次在托卡马克装置上观测到测地声模带状流的环向对称性和三维结构,创造了电子温度达到5000万度的国内纪录等;在其他领域,比如偏滤器物理、等离子体旋转、高能电子的作用、粒子和能量约束及磁流体不稳定性等方面,积累了丰富的实验数据。该装置的升级与改造工作正在研发之中。     

合肥科学岛新一代核聚变实验装置成功实现首次放电

9月28日，中科院合肥物质科学研究院等离子体所研制的全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置（EAST）成功实现首次放电。这标志着世界上首台由我国自行设计、研制的新一代核聚变实验装置建成并正式投入运行，我国磁约束核聚变研究已进入国际先进水平。在首轮物理放电实验过程中，这一实验装置成功获得电流200千安、时间近3秒的高温等离子体放电。据EAST大科学工程首席科学家万元熙介绍，目前放电实验还在进行中，各项实验参数正在不断提高，显示了EAST装置良好的整体性能。同日，EAST通过国家“九五”大科学工程专家组工艺鉴定。     

以水作为慢化体的多球中子谱仪模拟与解谱研究

中子能谱的测量是核辐射探测领域的一个重要研究课题,它在整个中子辐射防护检测中具有重要地位,与中子辐射剂量关系密切.多球中子谱仪是进行中子能谱测量的常见工具,具有非常多的优势,首先操作简单方便;其次功能强大,主要表现在测量范围上,相比较于其他类似设备来说要大许多;最后在灵敏性方面十分出色.本研究分别采用水和聚乙烯作为多球中子谱仪的慢化体,使用蒙特卡罗程序Geant4,计算了10~(-9)～10~(2 )MeV能量范围中60个能量点的响应函数,并分析比较;利用Gravel少道解谱算法,对不同中子场中的水慢化体多球中子谱仪测量数据进行解谱,数据显示水可以用作慢化体在设备中使用.该研究为水用作慢化体在设备中使用提供了理论和模拟研究基础.     

我国激光惯性约束聚变实验研究进展

介绍国内自2000年以来的激光惯性聚变（inertial confrnementfusion,ICF）实验研究进展,主要内容为神光Ⅱ激光装置上的实验,也对刚建成不久的神光III原型装置上的实验作简要介绍。在神光Ⅱ激光装置上开展了多项的物理实验研究,进行了系列综合和分解实验,获得的主要实验技术指标为：黑腔峰值辐射温度超过二百万度;辐射驱动DT聚变中子产额达10^8和辐射驱动压缩DD燃料密度超过10倍液氘密度;辐射不透明的样品温度接近100eV。在神光Ⅱ装置上得到这些结果表明国内在惯性约束聚变研究方面取得了显著的进步。随着神光Ⅲ原型装置建造的完成,2007年在该装置上进行了首轮物理实验,开展了黑腔物理和辐射内爆物理实验,首轮实验的成功说明神光Ⅲ原型装置已具备实验能力。     

水下焊接电弧温度的光谱诊断

本文利用等离子体光谱诊断法对水下焊接电弧温度进行了比较系统的研究。文中对水下湿法焊接与干法焊接的电弧温度进行了对比分析，讨论了水的冷却作用及水压力对水下电弧温度的影响，此外还对焊接规范、焊条药皮中铁粉的含量等因素对水下焊接电弧温度的影响作了较详细的探讨。本研究工作对水下焊接电弧物理及焊接冶金的研究有参考价值。     

大气压直流辉光放电装置的实验与分析

为了能减小放电装置的体积,以应用于便携式仪器,设计了线-筒型大气压直流辉光放电装置,放电间隙仅1.92 mm.它主要由内线电极、外筒电极组成,线电极直径为0.16 mm,筒电极直径为4 mm.观察并说明了从电晕放电向辉光放电过渡的过程.通过放电波形和图像验证了其处于辉光放电状态.推导了利用氮气第二正带系计算振动温度和转动温度的算法,并利用光谱仪(Acton Spectrapr0 2500i)采集所产生的等离子体的发射光谱,计算得到该等离子体的振动温度在2 360 K左右,转动温度在830 K左右.将该装置作为离子源应用于敞开式质谱中,实验结果表明,该直流大气压辉光放电形成的等离子体可以很好地离子化甲酸、乙酸、苯酚等物质.     

Observation of nuclear fusion driven by a pyroelectric crystal

While progress in fusion research continues with magnetic and inertial confinement, alternative approaches--such as Coulomb explosions of deuterium clusters and ultrafast laser-plasma interactions--also provide insight into basic processes and technological applications. However, attempts to produce fusion in a room temperature solid-state setting, including 'cold' fusion and 'bubble' fusion, have met with deep scepticism. Here we report that gently heating a pyroelectric crystal in a deuterated atmosphere can generate fusion under desktop conditions. The electrostatic field of the crystal is used to generate and accelerate a deuteron beam (> 100 keV and >4 nA), which, upon striking a deuterated target, produces a neutron flux over 400 times the background level. The presence of neutrons from the reaction D + D --> 3He (820 keV) + n (2.45 MeV) within the target is confirmed by pulse shape analysis and proton recoil spectroscopy. As further evidence for this fusion reaction, we use a novel time-of-flight technique to demonstrate the delayed coincidence between the outgoing alpha-particle and the neutron. Although the reported fusion is not useful in the power-producing sense, we anticipate that the system will find application as a simple palm-sized neutron generator.     

Liquid exploding emission during boiling nucleation in capillary tubes

A series of experiments was conducted to visually observe boiling nucleation phenomena in micro capillary tubes employing a high speed CCD. At a higher heat flux the liquid in capillary tubes was emitted instantaneously rather than generating nucleate boiling, which is referred as liquid exploding emission in this paper. Both critical emission heat flux and temperature corresponding to this phenomenon were measured for tubes with different heating lengths and arrangements of two end sections. Boiling nucleation and liquid film evaporation played critical roles in different stages during exploding emission. Dimensionless critical emission volumetric heat was introduced to describe the conditions of the emission instead of heat flux, and theoretical discussions were conducted to explore the influences of thermal properties and geometrical configuration, particularly heating length and asymmetry of two end sections of tubes.     

等离子体光谱的高分辨测量与信号处理

介绍了所建立的用于等离子体光诊断的高分辨光谱测量系统 ,谱分辨Δλ =0 .0 0 8nm ,信号的数据处理可提高光谱分辨至 0 .0 0 0 8nm .实验对CT 6B托卡马克等离子体进行了空间分辨测量 .结果表明 :对磁约束高温低密度等离子体 ,发光粒子的光谱线型为高斯线型 ,由离子的测量推断出等离子体中发光离子有比较窄的壳层分布 ,中性氢原子光谱强度的空间分布有较大的涨落     

中性束加热等离子体温度演化研究

本文用Gill数值求解方法模拟了HL-2A装置在中性束加热条件下,电子、离子温度随时间的演化过程,模拟结果与实验结果有较好的一致性.我们对不同中性束注入条件下的电子、离子温度演化也进行了模拟,并分析了电子、离子温度的爬升速度的影响因素.     

微机控制的电弧等离子体光谱诊断装置

本文根据等离子体光谱多线解析法的基本原理,研制出了一种用微型计算机测控的光电光谱诊断装置。该装置能对未知配比的电弧等离子体中的各组分浓度以及对应的温度、压力等热力学基本参数及其分布进行同时测定;并具有快速、定量、时间与空间分辨率高、信息量大以及操作简便优点。大大地扩大了传统的光谱诊断装置的测试功能和测试范围,为电弧等离子体的热力学分析、加工过程的自动控制和污染的防治等提供了必要的前提。本装置已用于二元及多元混合气体电弧等离子体、高频直流脉冲电弧等离子体的诊断。本文将着重介绍该装置的原理、结构、性能及使用情况;并以氩氢电弧为例,给出测试的结果及误差估计。     

强场原子分子物理实验研究中的符合测量技术及其应用

飞秒激光具有超短的脉冲宽度和超强的峰值功率，已经成为测量和操控原子分子超快动力学行为的重要工具．但是强激光场下，原子分子行为非常复杂，多个反应通道纠缠在一起．全微分符合测量技术能够提供特定反应通道精确的动力学数据，推动了强场原子分子物理研究的快速发展．本文结合北京大学新建的冷靶反冲离子动量谱仪，介绍全微分符合测量技术在强场原子分子物理实验研究中的重要应用以及在强场原子分子物理实验研究方面取得的一些重要进展．