J-TEXT托卡马克偏滤器位形的模拟与实现

【摘要】：偏滤器在托卡马克受控磁约束聚变装置中具有重要作用。它可以避免主等离子体与装置边界物理材料的直接接触,从而有效降低杂质溅射及渗透,进一步也有助于提高等离子体的约束性能。可以说,偏滤器位形是托卡马克实现高约束模式(H-Mode)的一个关键。目前世界上几个主流的托卡马克装置,如JET、EAST、HL-2A、DIII-D、KSTAR、ASDEX-U等,都选择了偏滤器位形。未来的托卡马克试验堆,如ITER和CFETR,也将在偏滤器位形下运行。因此,实现偏滤器位形,是解决未来聚变堆的关键物理和工程问题的基础,具有重要的战略意义。本文以J-TEXT(Joint Texas EXperimental Tokamak)托卡马克装置为研究平台,开发了偏滤器位形重建程序,并以程序计算的结果为指导,在J-TEXT装置的实验中首次实现了偏滤器位形的运行。偏滤器位形的实现是J-TEXT装置的一大突破,为将来实现H-Mode并研究聚变堆相关的物理问题奠定了基础。为了实现J-TEXT的偏滤器位形的运行及控制,本文从软件和硬件两个方面开展了如下研究:在软件方面,在J-TEXT上建立了两套位形重建程序:平衡重建程序和电流丝边界重建程序。获得了J-TEXT托卡马克上不同放电位形的磁面分布。针对不同位形的给定平衡,通过反演模式得到的最外层闭合磁面与给定的一致,验证了平衡重建程序的自洽性。固定边界平衡的计算表明外部磁测量对等离子体内部电流分布不敏感,这为电流丝边界重建方法的使用提供了依据。采用固定电流丝模型对J-TEXT的不同位形进行了边界重建,研究发现单电流丝在圆截面限制器位形下的边界重建精度明显高于偏滤器位形,多根电流丝可以提高偏滤器位形的边界重建精度。适当增加电流丝个数,减小电流丝分布的半径,可以提高边界重建精度。使用电流丝法对J-TEXT的偏滤器位形进行了模拟,探究了可能影响偏滤器位形形成的各种因素及运行区间。结果表明限制器位置能明显影响偏滤器位形的形成,将限制器位置外移有助于形成偏滤器位形;当等离子体位置靠近高场侧时,双零位形的运行区间较大,靠近低场侧时,中间单零位形的运行区间较大。通过对J-TEXT托卡马克偏滤器位形的模拟,确定了偏滤器线圈电源所需要的大致参数运行范围,并为J-TEXT的偏滤器位形运行策略提供了思路。在硬件方面,主要是两方面的工作:靶板的建设和用于位形诊断的硬件的建设。J-TEXT托卡马克偏滤器位形的X点位于高场侧,打击点在高场侧,为了避免损坏装置的第一壁,在真空室的高场侧进行了石墨靶板全覆盖。诊断方面,建设了专门用于位形重建的矩形磁探针阵列。该阵列由分布在真空室内壁上的26个二维磁探针组成,探针的有效面积使用赫姆霍茨线圈进行了标定。此外,还建设了位移测量探针和逆磁测量系统。位移测量探针可以用于J-TEXT的等离子体位置测量及控制,逆磁测量系统补偿了J-TEXT的纵场线圈扩散的影响,可以用于测量等离子体的储能,极向β,能量约束。在靶板、电源、诊断等各个子系统建设完成并经过调试之后,在J-TEXT上成功实现了高场侧中间单零偏滤器位形的放电,取得了高场侧中间单零偏滤器位形的初步实验结果并基于平衡反演程序进行了分析。并在该位形下,尝试了高密度放电实验和ECRH加热实验,获取了一些典型炮。