J-TEXT裝置上低Z雜質(zhì)行為實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、托卡馬克等離子體中的雜質(zhì)會(huì)增大輻射損失，影響等離子體能量平衡和粒子平衡，使等離子體溫度下降，導(dǎo)致等離子體的約束性能變差，甚至出現(xiàn)破裂不穩(wěn)定性。對(duì)于聚變裝置，雜質(zhì)會(huì)稀釋聚變?nèi)剂希咕圩児β式档?。因此有效控制托卡馬克等離子體中的雜質(zhì)行為是未來聚變堆高參數(shù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的關(guān)鍵之一。目前人們對(duì)托卡馬克中的雜質(zhì)行為還沒有一個(gè)清晰完整的認(rèn)識(shí)，基于新經(jīng)典雜質(zhì)輸運(yùn)理論無法解釋現(xiàn)有裝置測(cè)量結(jié)果，主要是存在一個(gè)與湍流密切相關(guān)的反常輸運(yùn)。一般說來，反常輸運(yùn)的重點(diǎn)是

2、考察橫越磁力線的徑向輸運(yùn)行為（在合適的條件下，可以認(rèn)為垂直輸運(yùn)）。但在特定條件下，平行輸運(yùn)的貢獻(xiàn)會(huì)使雜質(zhì)分布變得更加復(fù)雜。因此在雜質(zhì)分布這一問題上需要同時(shí)考慮平行輸運(yùn)和垂直輸運(yùn)的影響。
　　本文以 J-TEXT托卡馬克裝置為平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)研究了等離子體中低 Z雜質(zhì)的行為特性。為了開展雜質(zhì)相關(guān)研究，發(fā)展了一系列輻射和雜質(zhì)光譜診斷，具體分為：1. AXUV熱輻射診斷。它包括極向陣列和環(huán)向陣列兩部分，基于此診斷通過反演運(yùn)算可得到等離子體的熱

3、輻射剖面及環(huán)向輻射的對(duì)稱性信息；2. C Ⅲ光電二極管陣列診斷。其利用濾光片選取C Ⅲ特征線（464.7nm）并通過透鏡成像原理，可提供高/低場(chǎng)側(cè)和限制器的C III輻射信息,用于分析C Ⅲ離子的行為；3.單色光成像診斷?？商峁└?低場(chǎng)側(cè)特定波長(zhǎng)的輻射剖面，主要用于分析指定雜質(zhì)離子（如C V）的行為。
　　本文主要實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容如下：
　?。?）雜質(zhì)輻射行為研究。首先利用 STRAHL代碼模擬輻射損失情況。結(jié)合模型計(jì)算的輸運(yùn)系

4、數(shù)，以及對(duì)AXUV探測(cè)器響應(yīng)度的修正，可以較好地重現(xiàn)了AXUV診斷測(cè)量結(jié)果。不同密度下的雜質(zhì)輻射行為研究結(jié)果顯示：J-TEXT裝置上密度極限破裂前觀測(cè)到邊界冷卻現(xiàn)象，邊界碳雜質(zhì)輻射增強(qiáng)，同時(shí)有邊緣非對(duì)稱多層輻射現(xiàn)象（MARFE）出現(xiàn)。這個(gè)過程中輻射損失只占輸入功率的30％。通過注雜改變輻射損失，發(fā)現(xiàn)輻射損失與密度極限存在一個(gè)閾值。不同種類的雜質(zhì)通過影響邊界輻射損失改變 MARFE的行為，其原因可能是因冷卻輻射函數(shù)的改變。未發(fā)生 MARF

5、E 時(shí)，邊界區(qū)域也觀測(cè)到C III輻射非對(duì)稱現(xiàn)象，且隨著密度增加而越發(fā)明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示它與碳源、平行輸運(yùn)和垂直輸運(yùn)行為密切相關(guān)。
　?。?）雜質(zhì)輸運(yùn)行為研究。首先，通過碳雜質(zhì)診斷提供的剖面信息，利用STRAHL代碼計(jì)算得到了高/低場(chǎng)側(cè)碳雜質(zhì)輸運(yùn)系數(shù)。結(jié)果顯示高場(chǎng)側(cè)的擴(kuò)散系數(shù)小于低場(chǎng)側(cè)，且隨著密度的增加，低場(chǎng)側(cè)擴(kuò)散減小。其次，為了解釋雜質(zhì)輻射的非對(duì)稱現(xiàn)象，從碳源、主離子與雜質(zhì)離子摩擦力以及離心力三個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過

6、改變限制器的位置和主動(dòng)注雜的方式來研究局部碳源對(duì)碳雜質(zhì)分布非對(duì)稱的影響，結(jié)果顯示碳源對(duì)C III輻射環(huán)向非對(duì)稱有明顯影響，但對(duì)于極向非對(duì)稱無明顯影響。STRAHL模擬碳源影響的結(jié)果同實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果一致。不同環(huán)向位置的注雜結(jié)果也證實(shí)了這個(gè)結(jié)論。除了碳源以外，主離子與雜質(zhì)離子的摩擦力對(duì)C III輻射極向非對(duì)稱也起著重要作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示離子密度梯度和離子溫度梯度影響雜質(zhì)極向非對(duì)稱性的大小和方向。離心力影響受限于等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)速度，所以其影響較小