托卡馬克等離子體邊界轉動的實驗研究.pdf

1、托卡馬克型磁約束核聚變作為實現受控熱核聚變首選的途徑之一。托卡馬克等離子體的轉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?，F階段等離子體轉動的動量源主要來自于外部動量輸入，如中性粒子束注入，但受限于現有技術水平，外部輸入的動量將無法滿足聚變反應堆的需求，因此在眾多裝置上發(fā)現的等離子體自發(fā)轉動變得非常重要。但自發(fā)轉動的產生機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)轉動的產生和轉動剖面的建立展開了相關實驗研究。作為實驗研究的基礎，首先建立了一套邊界轉動診斷系統(tǒng)（ERD），可以測量等離子體雜質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確反應等離子體邊界環(huán)向轉動速度和離子溫度的分布情況，因此建立了以雜質輸運方程為基礎的建模分析和增加測量弦數目兩種方法來推算轉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目的方法，以滿足實驗對轉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)向轉動剖面有何影響。以平衡剛建立時刻的邊界環(huán)向轉動為比較對象，結果發(fā)現，等離子體密度爬升越快，邊界等離子體達到的反電流方向轉動速度越大。而在目前J-TEXT的放電參

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

5、道損失效應兩者的競爭，紋波離子損失效應使邊界環(huán)向轉動速度朝反電流方向變化，并增大轉動速度梯度；而離子軌道損失效應使邊界環(huán)向轉動朝同電流方向變化。低密度下離子軌道損失效應占主導作用，而高密度下紋波離子損失效應占主導作用。
　　最后，我們對影響J-TEXT托卡馬克等離子體邊界轉動進行了定標研究，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（MHD）行為等因素，以確定在J-TEXT上影響轉動的主要因素。結果