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《中国科学技术大学》 2012年
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EAST偏滤器物理及杂质注入行为研究

王东升  
【摘要】:聚变能是一种取之不尽的潜在清洁能源,受控聚变将是解决人类未来能源问题的主要途径。偏滤器是现代托卡马克装置以及未来聚变堆的关键部件之一,它是磁约束聚变装置运行过程中控制杂质、粒子再循环、排出氦灰和热流的必要手段,因而在现代聚变装置中起着至关重要的作用。本论文系统介绍了偏滤器发展的历史及其重要作用,阐述了开展偏滤器物理研究的重要意义。 本论文介绍了偏滤器物理的“两点”模型,总结了偏滤器等离子体脱靶的主要物理机制和主要的等离子体粒子漂移,并系统调研了目前世界上主要托卡马克实验装置上的偏滤器物理实验研究状况。本论文是在东方超环托卡马克装置(EAST)上完成的,文中介绍了EAST装置以及EAST上与偏滤器研究相关的主要诊断及其原理。论文主要研究了EAST偏滤器等离子体的基本运行状态和辐射偏滤器等离子体行为。 在首次偏滤器实验中主要研究了欧姆放电条件下的等离子体放电行为,首先研究了EAST单零和双零偏滤器位形特征,并分析了单零和双零位形等离子体的基本特性,实验发现双零位形下存在较大的偏滤器不对称性。在双零位形下通过提高等离子体密度获得了EAST上首个完全脱靶偏滤器等离子体。在不同位置加料实验中发现单零和双零位形下都有从dome充气口加料的效率最高,单零位形下从外靶板充气口加料的效率比内靶板略高,双零位形下则是内靶板充气口的加料效率比外靶板高。通过正、反场对比实验发现与纵场方向相关的梯度漂移对偏滤器等离子体的运行状态有较大影响,在反场条件下更容易实验偏滤器脱靶。实验发现双零偏滤器运行除存在内外偏滤器不对称性外还存在上下偏滤器不对称性,通过不同纵场方向条件下D2注入实验发现磁场梯度漂移会使离子漂移方向所朝向的偏滤器靶板处的粒子流增强。 在低参数欧姆放电条件下利用氘气和氘氩混合气(D2+5.7%Ar)做了初步的辐射偏滤器实验,气体注入后增强了偏滤器区域的等离子体辐射,进而降低了到达靶板的热流、改善了偏滤器不对称性。D2和Ar注入都使到达靶板的热流降低了50%以上,使偏滤器等离子体进入了部分脱靶或完全脱靶状态。论文在低杂波电流驱动条件下开展了氘氩混合气(D2+25%Ar)和纯氩注入的辐射偏滤器实验,Ar注入大大降低了到达偏滤器靶板的热流,验证了通过高Z杂质注入控制靶板热负荷的可行性,为EAST高参数、长脉冲运行开辟了一条有效途径。实验后期在H-模放电条件下做了初步的杂质注入实验,Ar注入增大了第三类边缘局域模的频率、降低了边缘局域模的振幅、缓解了ELMs对靶板材料的损伤。 最后,利用大型托卡马克边界模拟程序SOLPS5.0计算了EAST在不同密度条件下的边缘等离子体状态,取得了与实验一致的结果。论文还利用SOLPS5.0模拟了EAST在较高参数下的杂质注入行为,结果表明Ar比Ne更容易实现等离子体脱靶。从模拟结果来看,杂质注入对芯部等离子体有一定影响,使等离子体密度升高了,这与实验结果是一致的。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TL631.24

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