HL-1M装置离子回旋波注入实验的边缘参数测量

为了提高等离子体温度和密度,在高参数下从事托卡马克等离子体物理研究,在HL-1M装置上进行低杂波加热和电子回旋波加热的基础上,我们最近开展了离子回旋波注入和中性束注入加热实验,以及弹丸注入加料和分子束注入(MBI)加料实验,特别是在后者的实验中获得了很高的粒子和能量约束时间。     

HL-1M装置超声分子束流注入过程中的团簇现象

在环流器等离子体中用超声分子束流注入加料,引起密度峰化和约束改善,其主要机制归结为加料粒子的注入深化和密度上升率(注入效率)的提高。本文主要介绍经过改进的超声分子束流注入HL-1M装置等离子体利用边缘H_α。线辐射、径向可伸缩的静电探针和顺着束流注入方向的CCD摄像等诊断技术,考察了粒子注入口及注入口附近区域电子温度和密度沿径向分布的变化,研究了分子束粒子注入等离子体的所谓“冷通道模型”及其效应。     

托卡马克超声分子束注入加料的进展

超声分子束注入作为一种新的托卡马克加料方法由作者在1992年首次提出并于当年在中国环流器一号(HL-1)装置演示成功,随后相继应用于中国环流器新一号(HL-1M)和中国科学院超导托卡马克HT-7装置。超声分子束注入等离子体呈现出电子密度峰化和温度中空分布的特征;等离子体流极向旋转速度提高,边缘扰动被抑制,等离子体能量约束得到改善。加料效率较常规脉冲送气提高一倍,而滞留器壁的粒子大为减少。近期开展的高气压氢超分子束注入实验,在束流中发现团簇流,可注入等离子体中心区域。多脉冲分子束注入形成电子密度的阶跃上升,如同冰弹丸注入效果。近年来该项技术已陆续应用于国外大型托卡马克和仿星器,是核聚变装置稳态运行的一种有效的加料方法。     

高速弹丸测速仪的研制

在等离子体物理实验中,注入弹丸的大小和速度对等离子体电子温度、密度扰动等均有影响,测量弹丸的速度有助于研究弹丸注入等离子体的深度、弹丸的消融及其对等离子体的作用。8     

HL-1M弹丸加料等离子体密度特性

HL-1M装置在欧姆加热条件下进行过在一次放电中注入1～4粒小弹丸加料研究。今年,在一次放电中实现了8粒氢弹丸的连续注入,并对密度分布和扰动特征以及这些特征与装置器壁再循环、弹丸大小、注入速度和间隙的关系进行了进一步的研究。实验表明器壁再循环对高密度的获得有重要的影响。在再循环很小时,发射间隙适当的条件下,HL-1M能接受8发弹丸连续注入。而再循环较高的条件下连续注入3粒φ1.0mm弹丸获得了本轮加料实验的最好参数:等离子体中心密度n_e(0)=5.3×10~(13)cm~(-3),总体储能W_p=6.0 kJ,τ_e=26ms。用CCD相机拍摄了弹丸消融云的照片,对消融过程进行了简要的分析,证实消融的不对称和弹丸轨迹的偏转是电子侧消融强于离子侧的结果,弹丸发射间隙及完整性对密度扰动有重要的影响。     

弹丸实验中的粒子约束特性分析

多年来,许多托卡马克装置都在进行着氢弹丸和氘弹丸的注入实验研究,其主要目的在于探索用弹丸注入方法对将来聚变反应堆实验再加料的可行性。因为弹丸加料与气体加料相比具有使大部分加料粒子能沉积在等离子体芯部的明显优点。芯部加料可以产生更峰化的密     

HL-1M装置弹丸穿透特性的分析

在HL-1M装置氢弹丸注入实验中,通过观测注入截面中的氢原子的H_α线发光强度对时间和空间的变化,在对几十发不同直径的弹丸注入方法进行分析的基础上,重点研究了氢弹丸的穿透特性、注入深度与弹丸速度之间的关系。 Spitzer于1954年就提出了采用弹丸注入方法对等离子体进行加料的设想,但时隔20年后,这种设想才引起人们的关注。由于弹丸注入加料效率高,且为控制等离子体密度提供了灵活性,而用中性气     

中国环流器一号装置最近结果(英文)

HL-1(中国环流器一号)已卓有成效地进行了《MHD不稳定性对运行极限参数的影响》、《等离子体改善约束》、《杂质浓度和输运》、《等离子体边缘条件的控制》和《边缘等离子体特性和扰动》等与等离子体约束物理密切相关的重大课题的系统研究。显著提高和改善等离子体约束性能,获得了许多在国际和国内具有自己特色的重要成果。尤其高密度(n_e>5×10~(19)m~(-3))低q(q_1<2.2)好约束(τ_E>30ms)的等离子体的获得,偏压电极诱发的高约束模(H模)和高密度孔阑位形下改善欧姆约束(IOC)放电状态的实现是对国际核聚变研究的重要贡献。1992年又成功地进行了低混杂波电流驱动、弹丸注入(863高技术)及电子回旋共振加热的实验研究,分析了三大技术对约束的影响,结束了HL-1仅用欧姆加热、有感电流驱动和气体加料的历史,使等离子体约束的物理实验研究达到新的水平。     

中国环流一号装置最近结果

HL-1(中国环流器一号)已卓有成效地进行了《MHD不稳定性对运行极限参数的影响》、《等离子体改善约束》、《杂质浓度和输运》、《等离子体边缘条件的控制》和《边缘等离子体特性和扰动》等与等离子体约束物理密切相关的重大课题的系统研究。显著提高和改善等离子体约束性能,获得了许多在国际和国内具有自己特色的重要成果。尤其高密度(n_e>5×10~9m~(-3))低q(q_L<2.2)好约束(τ_E>30ms)的等离子体的获得,偏压电极诱发的高约束模(H模)和高密度孔阑位形下改善欧姆约束(IOC)放电状态的实现是对国际核聚变研究的重要贡献。1992年又成功地进行了低混杂波电流驱动、弹丸注入(863高技术)及电子回旋共振加热的实验研究,分析了三大技术对约束的影响,结束了HL-1仅用欧姆加热、有感电流驱动和气体加料的历史,使等离子体约束的物理实验研究达到新的水平。     

HL-2A装置先进加料系统

氢及其同位素固态小球的高速注入——弹丸加料是近十几年来受控核聚变研究中发展起来的一项新技术。它是将氢及其同位素(氘、氚)冷却成毫米量级固态小球,然后以高速注入到核聚变等离子体中实现燃料在等离子体芯部     

在Windows 95下开发多发弹丸发射控制程序

在受控核聚变研究中,氢同位素固态弹丸的高速注入已成为核聚变加料实验的热点。因其具有加料效率高、能形成芯部高度峰化的密度分布、拓宽装置运行区域以及改善等离子体约束性能等优点,因而世界各国在磁约束核聚变装置上广泛采用这种加料技术。为此由中、俄双方联合研制了用于HL-1M装置的多发弹丸加料系统。该系统工作于强电场、强磁场环境下,弹丸注入时刻为毫秒量级控制,从而决定了其发射控制只能采用计算机自动控制方式。     

分子束注入HL-1M装置等离子体的行为

一种新的气体加料方法——分子束注入,在HL-1M装置上进行了实验。脉冲高速分子束是由高压气体通过拉瓦尔(Laval)喷口形成的。准直的氢分子束平均速度约为500m·s~(-1)。一个分子束脉冲通过拉瓦尔喷口进入真空室的粒子数为6×10~(19)个。一系列氦分子束脉冲注入HL-1M低密度((?)=4×10~(18)m~(-3))氢等离子体,氦粒子穿透深度可达到12cm,电子密度上升率达到3.1×10~(-20)m~(-3)·s~(-1)而始终保持稳态,密度峰值为5.6×10~(19)m~(-3)。在氦分子束脉冲注入后100ms,电子密度剖面峰化因子达到最大值Q_n=n_e(O)/〈n_e〉=1.51,其中,n_e(O)为中心密度,〈n_e〉为体平均密度。由反磁测量得出能量约束时间τ_E为28ms,较在相同运行条件下常规喷气加料高30％。分子束加料τ_E的改善和Q_n值的增加可与HL-1M装置的小弹丸注入和ASDEX装置[Kaufmann M et al,Nucl.Fusion 28(1988)827]的低速弹丸注入结果相比拟。除了氦的同位素效应之外,粒子注入的深度引起密度剖面峰化是约束改善的重要因素。因为在HL-1M装置常规喷气加料的Q_n值仅为1.4。分子束加料后的粒子约束时间比加料前高6倍。     

HL-1装置分子束注入实验研究

提出一种气体加料的新方法,采用高压氘气通过拉瓦尔喷嘴经一级分离器形成分子束注入HL-1装置等离子体,氘气体分子流量为3×10~(20)/s在线平均电子密度5.2×10~(19)m~(-3)时,粒子束速度可达到100m/s,随着等离子体密度和温度持续升高,粒子束通量很快衰减。当分子束注入结束并转为常规喷气加料时,D_α辐射强度急剧下降,与此同时,粒子对流沿径向朝等离子体芯部运动速度逐渐递增,电子密度分布继续峰化、电子密度持续上升达45ms。等离子体热能、粒子约束和能量约束时间均有所增加。分子束注入加料是一种定向的高效的加料手段,加料粒子可深入等离子体8cm,进入q≈2附近约束区。加料效率约为50％,壁表面粒子再循环率系数R≈0.6,低于常规喷气加料10％。     

CCD相机在观测弹丸消融过程中的应用

我们利用高速、高时空分辨率面成像CCD相机在HL-1M弹丸注入方向上对弹丸的消融全过程进行了观测,拍摄到了HL-1M等离子体中注入氢弹丸时的H_α辐身照片。 弹丸与等离子体的相互作用是十分复杂的过程,大致可以分为两个阶段:第一阶段弹丸表面被加热而升华;第二阶段是蒸发、消融,之后弹丸被中性气体所包围,形成云。其消融率为其中,n_e/cm~(-3)为电子密度,T_e/eV为电子温度,r_p/cm为弹丸半径,M_i为弹丸质量(原子单位)。     

在HL-1M装置中加热与加料匹配问题的理论研究

加热与加料是HL-1M装置上两个重要实验课题。为了在有辅助加热的情况下,所加燃料大都沉积在磁轴附近,文中提出了一种加热与加料交叉实施方案,这就出现了两者之间的匹配问题,因为有效的加热往往有赖于良好的密度分布,而预期的加料沉积又与等离子体加热结果相关。这里根据每种加热的有效条件,给出了加料的要求,即注入弹丸的大小和个数。     

HL-1M弹丸注入实验中等离子体的约束改善特征和中心磁流体动力学特性研究(英文)

在HL-1M实验中,多发弹丸注入到欧姆加热放电中,明显改善了等离子体约束特性。与相同条件下的欧姆加热放电相比,能量约束时间提高了约30％。等离子体约束的改善是因为弹丸注入后在等离子体中心区域形成了高度峰化的密度和压强分布。实验发现弹丸穿透的深度决定了密度和压强分布的峰化程度,而等离子体中心的磁流体力学活性又随着密度和压强分布的峰化程度的增大而改变。另一方面,等离子体中心磁流体动力学(MHD)活性在限制可达到的中心等离子体压强和决定中心输运特性上起着重要作用,标志着弹丸注入约束改善的峰化的密度、压强分布在出现第一个大锯齿后平化。随着弹丸穿透的加深,芯部区域的压强(密度)梯度变陡,中心MHD活性受到弹丸注入的强烈影响,锯齿崩溃特征有在更高密度、更高压强下时才出现的类理想模的特性,并在崩溃过程中m=1模的发展与一个非常定域的压强扰动耦合。     

DⅢ—D托卡马克上杂质弹丸注入期间的快速向内杂质输运

为了辐射熄灭等离子休事的储能和缓和破裂效应,将熄灭剂氖弹丸注入ＤⅢ－Ｄ托卡马克等离子体中。在弹丸消融的时间范围内向径向输运导致氛在弹丸消融穿透半径内中心沉积,从而引起有效的射能量损耗。这个结果与所测量的加料弹丸的向外径向沉积相反。     

DⅢ—D托卡马克上弹丸注入直接触发的H模等离子体的研究

DⅢ-D托卡马克上通过注入冰冻氚弹丸直接产生了从低约束（L模）出子体到高约束（H模）等离子体的转变。H模的转变发生在边缘电子和离子温度低于L模值时。这就意味着临界边缘温度不是H模转变必需的。实验上确定的边缘等离子参数远低于几个触发H模的H模转变理论所预计的参数，从而表明需要修正这些理论。     

弹丸注入对HL-1M装置等离子体MHD行为及电流密度分布的影响

弹丸注入所引起的等离子体响应与注入前等离子体本身的条件和状态、扰动参数以及弹丸穿透深度有关。我们曾对弹丸注入后的等离子体MHD行为及约束性能进行了研究。本文主要根据PIN光二极管阵列探测器所探测到的1～10keV能量的软X辐射扰动,定性分析多发弹丸注入对HL-1M     

脉冲分子束注入HL-1M装置等离子体行为研究

介于已有的喷气(Gas puffing)和弹丸注入(Ice pellet injection)之间,提出了一种新的托卡马克加料手段——脉冲超声分子束注入。在较高的粒子注入通量5×10~(19)/脉冲时,氢分子的速度仍可达到500m/s。一系列氦分子束脉冲注入初始密度为(?)=0.4×10~(19)m~(-3)HL-1M真空室氢等离子体,经过160ms,密度上升至(?)=5.4×10~(19)m~(-3)。根据脉冲分子束注入初期氦光谱(He I 587·6nm)强度的径向分布,1/3峰高位于γ=12cm附近。注入