JET装置运行条件下的阿尔芬波特性研究

JET装置运行在先进托卡马克区域,在先进托卡马克区域内存在着负磁剪切,s<0(s=rdq/dr),在正剪切和负磁剪切下理论上都发现了约束在α(α=-q2Rdβ/dr)引发气球模驱动的势β里的离散阿尔芬本征模(αTAE)。q是安全因子,β是等离子体压力与磁压力之比,R和r分别代表托卡马克的大半径和小半径。这些模式的耗散率都很小,很容易被高能量粒子激发成不稳定性模式。在现行的大型托卡马克(如:DⅢ-D,JET,JT-60U)中实验上已经观察到了许多阿尔芬现象,这种离散阿尔芬本征模式是一种去理解这些实验现象的潜在物理机制。     

JET装置中的离散阿尔芬本征模探讨

当前的磁约束聚变装置常常运行在先进托卡马克区域内,先进托卡马克区域内存在负磁剪切,s<0(s=rdq/dr)。在JET(Joint European Torus)装置中探讨了一种新型的离散阿尔芬本征模式——αTAE(α-induced to-roidal Alfvén eigenmode),研究其模式随s或α变化的特性,α=-q2Rdβ/dr。这里,q是安全因子,β是等离子体压力与磁压力之比,R和r分别代表托卡马克的大半径和小半径。     

聚变反应堆条件下等离子体中阿尔芬本征模的分析

通过对托卡马克装置的研究,为中国聚变工程试验堆和国际热核聚变反应堆提供了理论和工程技术。本文基于当前主要的托卡马克,运用磁流体力学数值模拟程序和动理学混合模拟程序,探究了不同类型托卡马克装置上的离散型阿尔芬本征模,以及在高能量粒子条件下离散阿尔芬本征模的不稳定性特征,为中国聚变工程试验堆和国际热核聚变反应堆提供理论参考。模拟发现在三类托卡马克装置上,较宽的运行范围内,都存在离散阿尔芬本征模,且这种本征模易受高能量粒子激发成不稳定模式。离散阿尔芬本征模的不稳定性潜在影响未来聚变反应堆的稳态运行。     

ITER中的离散阿尔芬本征模

本文主要研究了ITER稳态运行时的离散阿尔芬本征模的稳定特性。这些磁流体力学本征模是α引起的气球模驱动势阱中的束缚态。其中,α=-q2Rdβ/dr,q是安全因子,β是等离子压强和磁场压强的比值,R和r分别是环形等离子体的大半径和小半径。这些阿尔芬本征模很容易被高能量粒子激发而演变成不稳定模式而影响环形等离子体的约束性能。     

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.     

超导托卡马克KSTAR中的离散阿尔芬本征模

超导托卡马克更容易实现高参数稳态运行,逐渐成为磁约束核聚变反应装置的发展趋势。αTAE(α-induced toroidal Alfvén eigenmode)是一种由α(α是一种压强梯度标度)诱导的阿尔芬本征模,容易被高能量粒子激发为不稳定模式,影响托卡马克的稳态运行。在研究的参数条件下模拟发现KSTAR超导托卡马克中αTAE在小半径方向上分布很广,不同的安全因子q位形下KSTAR托卡马克中的αTAE分布的情况也不同,最后探讨了αTAE被高能量粒子激发为不稳定模式的情况。     

托卡马克中的离散阿尔芬本征模

托卡马克中的离散阿尔芬本征模(即αTAE,α是等离子体压强梯度的标度参数)是一种准边缘稳定模式,它们在燃烧等离子体条件下易受高能量粒子激发而演变成为不稳定模式,因之潜在影响托卡马克的稳态运行。本文在(s,α)平衡模型下,探讨了αTAE的存在区域及其相关的稳定性特征,并通过磁流体力学计算以及回旋动理学-磁流体力学混合模模拟来演示多支αTAE的结构特点,且进一步探讨在粒子共振激发下的不稳定现象,另外,在此基础上,结合具体托卡马克装置,分析αTAE在不同条件下的不稳定表现,为后续研究提供有益参考。     

ITER参数下的离散阿尔芬本征模

运用本征模方法和(s,α)平衡模型,研究ITER参数条件下的离散阿尔芬本征模(αTAE,α-induced Alfven eigenmode)特性,并探究相关条件下的HL-2A装置、EAST装置和DIII-D装置内的离散阿尔芬本征模,以期有益于对其运行物理的认识。     

EAST自举电流条件下离散阿尔芬本征模

针对先进实验超导托卡马克(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,EAST)装置,本文研究了自举电流和由气球模驱动势阱捕获的离散阿尔芬本征模(α-Induced Toroidal Alfvén Eigenmode,αTAE,α是等离子体压强梯度的标度)的联系;在自举电流条件下,高能量粒子激发αTAE为不稳定模式的情况.理论分析可得自举电流密度大的位置往往存在较大的等离子体压强梯度,而大的等离子体压强梯度很可能诱导产生αTAE.运用磁流体力学模型探讨了在自举电流条件下αTAE存在的特点,发现在小半径方向上自举电流密度较大的区间,集中存在αTAE;运用磁流体力学与回旋动理学混合模型探讨了αTAE被高能量粒子激发为不稳定模式的情况,发现在中性束注入加热等离子体和驱动等离子体电流条件下,当托卡马克中的高能量粒子和αTAE满足波粒共振条件时,αTAE都会被高能量粒子激发为不稳定模式.     

ITER不同设计方案下的离散阿尔芬本征模

用一个打靶法的程序分别研究ITER装置三种不同的设计方案下离散阿尔分本征(αTAE)的物理特性。发现感应方案不利于αTAE的形成,而在混合方案和稳态方案下,部分(s,α)模型能够进入气球模第二稳定区,尤其是在稳态方案下,有一半以上的径向范围都能进入第二稳定区。在这些区域内相对较大的α都能够形成有效势阱并捕获αTAE,这些被捕获的αTAEs的耗散率都很低,具有准边缘稳定性,很容易被高能量粒子激发成不稳定模式。     

连续谱频域中高能量粒子激发的阿尔芬不稳定性

本文通过线性回旋动理学与磁流体力学(MHD)的混合模拟程序,采用(s,α)平衡模型。通过高能量粒子激发连续谱中的阿尔芬模式,研究了NSTX和MAST运行条件下连续谱中的αTAE和gap中的TAE各自特点,发现连续谱中的αTAE可存在于gap上方和gap下方,能被势阱很好的束缚。gap中的TAE可以无需势阱所束缚。还在MHD条件下,演示了环效应所引发的阿尔芬频隙,可以减小连续谱对本征模的耗散作用。     

托卡马克不同运行域中的离散阿尔芬本征模

探究多个先进托卡马克装置,发现在先进托卡马克中存在着丰富阿尔芬现象(TAE、EPM、BAE、EAE、RSAE),有着非常广的频谱范围。根据实验数据得到先进托卡马克装置中(s,α)随小半径的变化,发现在先进托卡马克中存在有利于αTAE增长的条件,即存在α极大值,并讨论α极大值处的αTAE行为特征。     

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.     

托卡马克边界局域模的初步模拟研究

磁约束核聚变是解决能源危机的最佳方法,托卡马克已经成为受控热核聚变最有可能成功的装置。高约束模式(H模)下自发产生的边界局域模(ELM)在爆发时携带的大量粒子和能量会对装置的第一壁材料造成很大的损坏。因此,本文在分析H模及ELM的基本物理图像和特征基础上,利用BOUT++模拟程序对ELM进行了初步分析,结果发现,抗磁效应能很好地抑制ELM不稳定性的增长率。     

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。     

电子回旋共振加热期间的电子热输运和约束

采用ONETWO软件对在HL-2A托卡马克上电子回旋共振加热的实验进行分析,研究了ECRH加热期间的电子热输运和约束行为.ECRH引起了等离子体的共振区域电子温度上升,电子热输运系数变大.同时共振区域能量的增加使能量约束变坏,约束模式由一般模式(O模)转变为低约束模式(L模),能量约束时间下降.这些结果将对HL-2A中进一步提高安全运行和电子热输运的研究提供参考.     

佳拉洁雅装置中溜槽线圈位置参数对等离子体注入的影响

佳拉洁雅型磁约束装置是非托卡马克磁约束装置的一种。溜槽线圈是等离子体通道的重要组成部分,溜槽线圈的作用是削弱磁阱障壁磁场的磁感应强度,实现等离子体顺利注入磁阱。溜槽线圈的参数会对注入效果产生不同的影响。为了获得更佳的注入参数,将更多地等离子体输运到磁阱,研究了等离子体入射线角度和溜槽线圈与磁阱相对位置对等离子体入射线上磁场强度的影响;并利用有限元仿真软件COMSOL建立了仿真模型,仿真分析了不同参数下的等离子体注入情况。仿真结果表明,当等离子体入射线角度为20°,溜槽线圈距磁阱距离为23 cm时,等离子体注入磁阱的效果最好。     

中国环流器二号A装置物理实验研究进展

本文介绍了中国环流器二号A(HL-2A)装置概况、系统工程以及在磁约束聚变物理研究方面取得的若干重要进展,尤其是在HL-2A装置上成功实现了具有边缘局域模的高约束模式运行,是我国磁约束聚变实验研究史上具有里程碑意义的重大进展.近年来利用该装置可近性好,原创的加料与控制技术以及先进的高时空分辨诊断系统等独特优势,在HL-2A装置上开展了国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)及未来聚变堆等离子体相关的前沿物理问题与关键技术的研究,获得了一批国际磁约束核聚变领域创新科技成果,为ITER的运行与实验以及未来聚变堆的设计提供了重要技术基础与支撑.     

利用外加偏压导体法控制球形托卡马克电磁扰动实验研究

MHD(Magneto hydrodynamic,磁流体力学)不稳定性是托卡马克磁约束聚变等离子体中的基本物理现象,是影响装置放电稳定性及等离子体约束性能的重要因素,通过磁探针诊断对球形托卡马克上的Mirnov扰动进行测量和分析,并利用外加偏压导体方法首次对扰动进行抑制。     

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。