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

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义随着     

HL-1M装置放电中电子密度分布的峰化行为

早在第12届IAEA等离子体物理与受控核聚变会议上曾讨论了由峰化密度分布引起的或与峰化密度分布相关的约束改善以及与离子温度梯度模η_i的抑制的可能关系。国际上一些装置的实验也确认了导致n_e(r)分布峰化的许多放电状态,即弹丸(PI)深层加料、NBI分子束的反向注入以及锯齿活性的自发抑制,同时也发现在导致改善Ω约束状态时,喷气速率降低也能引起向峰化密度分布的转变。对所有这些具有峰化密度分布情况共同的特征是相对于Ω加热或L状态放电τ_e、τ_p得到改善,可以说大多数改善了的约束是在峰化密度分布的情况下获得的。与高约束H模式约束改善的物理原因     

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。     

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。     

HL-1M装置反磁测量和能量约束特性

详细描述了HL-1M装置反磁磁通测量系统,介绍了各种杂散场的补偿方法和测试结果,以及1995和1996年有关改善能量约束实验的反磁测量结果。比较了相同放电条件下欧姆放电和此类放电的能量约束特性,发现此类放电能量约束时间明显增加,等离子体电流分布剖面发生明显变化,给出了L模能量约束时间随密度的定标关系。     

欧洲联合环（JET）上的高密度、高性能高约束模等离子体

欧洲联合环上最近的实验[Rebut等人，《聚变工程与设计》22，7(1993)]目的是改善高密度的高约束模(H模)等离子体中的约束质量。通过强等离子体成形(三角形变度0．35＜δ＜0.5)、杂质植入和强场侧弹丸注入这三种方法已获得了如在密度接近或超过85％Grccnwald密度极限定标时由国际热核实验堆ITER—H98（7，2），定标预计的能量约束时间。观测到在约束末变差的情况下中心密度缓慢峰化。通过中心离子回旋共振加热可阻止锯齿损失和芯部杂质累积。在大三角形变度和杂质植入等离子体中，发现与Ⅰ型边缘定城模(ELMs)有关的平均功率损失的减小是因为在ELMs之间发生了附加损失。观炽到宽带磁起伏，这使我们想起其它托卡马克上有小ELMs的情况。已改变等离子体位形以寻找边缘坪项参数和小ELM损失的最佳组合。     

HT-6M边界欧姆加热初步实验结果(英文)

通过提升HT-6M托卡马克等离子体电流,提高了正常欧姆放电状态下的约束能力。等离子体电流上升率为12MA/s,电流提升后,H_α。辐射下降,电子温度分布变陡,电流上升约10％,边界密度在电流提升后迅速增加了50％以上,然后分布逐渐变陡。能量辐射损失减少,其分布变宽。在不同的密度放电过程中,MHD行为出现三种类型,即较强的m=3和m=2的磁扰动变弱;磁扰动转变成锯齿振荡;以及小的快锯齿转变成慢的大锯齿。能量约束时间增加了1.6到1.9倍,粒子约束时间增加了约4倍。文中分析了电流渗透过程并与经典扩散过程进行了比较,所有的实验现象非常类似于L-H模的转变。     

HT-6M边界欧姆加热初步实验结果

通过提升HT-6M托卡马克等离子体电流,提高了正常欧姆放电状态下的约束能力。等离子体电流上升率为12MA/s,电流提升后,H_0辐射下降,电子温度分布变陡,电流上升约10％,边界密度在电流提升后迅速增加了50％以上,然后分布逐渐变陡。能量辐射损失减少,其分布变宽。在不同的密度放电过程中,MHD行为出现三种类型,即较强的m=3和m=2的磁扰动变弱;磁扰动转变成锯齿振荡;以及小的快锯齿转变成慢的大锯齿。能量约束时间增加了1.6到1.9倍,粒子约束时间增加了约4倍。文中分析了电流渗透过程并与经典扩散过程进行了比较,所有的实验现象非常类似于L-H模的转变。     

HL-1M等离子体的复合锯齿振荡

用软X射线二极管阵列可以很容易地探测到在等离子体内部形成的软X射线辐射扰动的锯齿振荡波形,根据观测到的锯齿振荡的某些特征可以定性地确定等离子体芯部的磁场位形。在托卡马克等离子体加热过程中,电子加热和电流穿透使得电流分布不断峰化、中心磁轴附近的安全因子下降,当中心安全因子q(O)<1时在q=1磁面附近形成磁岛,磁岛的增长     

改善HT-6M约束的ZnO压敏电阻边界欧姆加热系统(英文)

提出了利用ZnO压敏电阻设计一个高功率(0.4MW)短电流边界欧姆加热电源系统用于加热边界等离子体,促使欧姆约束状态改善的思想。该系统提供一个方向与等离子体电流方向一致的涡旋电场(E_(EOH)=4.4V/m),给出了在HT-6M托卡马克上利用系统改善了约束的结果。其改善约束的明显特征是(a)密度N_e增加;(b)H_α辐射下降;(c)边界密度涨落和磁扰动下降;(d)边界密度和温度分布变陡。事实上,该系统可广泛应用于进一步研究MHD行为,粒子和能量输运等。     

改善HT-6M约束的ZnO压敏电阻边界欧姆加热系统

提出了利用ZnO压敏电阻设计一个高功率(0.4MW)短电流边界欧姆加热电源系统用于加热边界等离子体,促使欧姆约束状态改善的思想。该系统提供一个方向与等离子体 电流方向一致的涡旋电场(E_(EOH)=4.4V/m),给出了在HT-6M托卡马克上利用系统改善了约束的结果。其改善约束的明显特征是(a)密度N_0增加;(b)H_0辐射下降;(c)边界密度涨落和磁扰动下降;(d)边界密度和温度分布变陡。事实上,该系统可广泛应用于进一步研究MHD行为,粒子和能量输运等。     

三角变形和拉长等离子体位形对锯齿稳定性的影响

在TCV托卡马卡中观察到锯齿周期和锯齿幅度完全依赖于有向等离子体截面的形状。对等离子体拉长度和三角变形度的系统扫描表明，在高拉长度或低的和负的三角变形度下，锯齿小且其周期短，而在低拉长度或高三角变形度下，锯齿大且其周期长。辅助中心电子回旋加热功率更进一步增强了锯齿特性对形状的依赖关系。锯齿周期可以随辅助加热功率而增加或降低，这取决于等离子体形状。这个对形状的依赖关系由理想或电阻性MHD在触发锯齿崩塌中所起的作用决定。因此由于有辅助加热的等离子体位形，较高的压强使锯齿周期变短，在q＝1磁面里低的压强梯度实验极限与理想的MHD预言相符。所观察到的这个极限随着拉长度的降低也与理想的MHD理论定性相符。     

在PBX—M中利用离子伯恩斯坦波功率来主动改善芯部分布…

在ＰＢＸ－Ｍ托卡马克应用离子伯恩斯坦波加热稳定了锯齿振荡，并科生了峰化密度分布。在ＩＢＷＨ辅助中性束注入放电芯部观察到与ＩＢＷＨ功率沉积分布空间相关的输运势垒。在边毕定域模活性期间，从软Ｘ射线数据中观察到完全发展的势垒的先兆。     

HL-2A中中性束注入建立的反磁剪切位形的MHD不稳定性(英文)

利用 TRANSP code 模拟 HL-2A 托卡马克的反磁剪切运行,将2.5 MW 的中性束注入到密度分布逐渐峰化的靶等离子体中,随着等离子体 β 值的增高,形成了持续的反磁剪切位形。这类反磁剪切位形的极小 q 值(qmin)位于 rmin/a≈0.3 处并逐步从 qmin>3.0 向 qmin<2.0 演化,它们的特征是异常峰化的压强分布和非常强的中心负磁剪切。在建立了自洽的反磁剪切位形后,分析了它们的磁流体力学稳定性,这些分析包括理想的低 n 模 MHD,气球模和电阻交换模不稳定性。研究结果表明,在剪切反转点附近的低磁剪切区域产生了不稳定的低 n 模,说明这类不稳定模是压强驱动的。对本征扰动位移进行了 Fourier 分析,在 nqmin>4.0 的情况下,径向扰动位移的 Fourier 谐量是 m=1, 2, 3, 4。而且不稳定性增长率随环向模 n 的变化是振荡的,显示具有 infernal mode的特征。对于电阻交换模不稳定性,我们在中心负磁剪切区对不稳定性判据进行ε(反环径比)展开,结果显示该区域相当大的压强梯度驱动电阻交换模不稳定,但不稳定窗口只扩展到 rmin/a≈0.2,并不覆盖发生 low-n modes 不稳定性的低磁剪切区域。     

HT-6M托卡马克上的超低密度实验

通过一些特殊方法,HT-6M托卡马克可以稳定运行在只带少量过热电子的超低密度(SLD)区域。其主要参数为:N_c=(0.2～0.6)×10~(13)cm~(-3);I_p=60～80kA;V_e。=0.7～2.0V:B_t=0.7～1.0T;α=18cm;R=63cm。在这类放电中,等离子体的密度由限制器和壁的出气量决定,而和初始充的氢气压强完全无关。等离子体是安静的,几乎没有“锯齿振荡”。m=2,3的磁流体力学(MHD)不稳定性只出现在电流下降段。径向温度分布T_e(r)峰化,而密度分布N_e(r)是平坦的。能量约束时间τ_e为1～2ms,大约是Alcator定标律的2～4倍。     

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。     

HT-6M托卡马克上的超低密度实验

通过一些特殊方法,HT-6M托卡马克可以稳定运行在只带少量过热电子的超低密度(SLD)区域。其主要参数为:N_e=(0.2～0.6)×10~(13)cm~(-3);I_p=60～80kA;V_o=0.7～2.0V;B_t=0.7～1.0T;a=18cm;R=63cm。在这类放电中,等离子体的密度由限制器和壁的出气量决定,而和初始充的氢气压强完全无关。等离子体是安静的,几乎没有“锯齿振荡”。m=2,3的磁流体力学(MHD)不稳定性只出现在电流下降段。径向温度分布T_o(r)峰化,而密度分布N_e(r)是平坦的。能量约束时间τ_e为1～2ms,大约是Alcator定标律的2～4倍。     

超声分子束用于聚变等离子体加料

超声分子束注入在中国环流器一号和新一号装置首次采用。与常规送气相比,由于气体粒子注入深化,形成电子密度的峰化和密度极限的提高,并导致约束的改善。欧姆加热等离子体的能量约束时间的线性范围增长到ｎ＾－ｅ＝４×１０＾１９ｍ＾－３,实验结果表明,超声分子束注入是一种先进而简单的气体加料方法。     

用RHF在HT-6B托卡马克上研究等离子体的约束和锯齿振荡行为

给出了HT-6B托卡马克上的共振螺旋场(RHF)对等离子体的约束和锯齿振荡行为的影响的实验结果。RHF使电子热导减小、电子温度分布变宽、等离子体密度增加并增强了杂质辐射,同时使锯齿振荡增强(包括锯齿幅度、周期、上升率及反相半径)和m=2、3、4的MHD不稳定性被抑制。实验结果表明RHF使放电进入一个新的放电状态。     

用RHF在HT-6B托卡马克上研究等离子体的约束和锯齿振荡行为

给出了HT-6B托卡马克上的共振螺旋场(RHF)对等离子体的约束和锯齿振荡行为的影响的实验结果。RHF使电子热导减小、电子温度分布变宽、等离子体密度增加并增强了杂质辐射,同时使锯齿振荡增强(包括锯齿幅度、周期、上升率及反相半径)和m=2、3、4的MHD不稳定性被抑制。实验结果表明RHF使放电进入一个新的放电状态。