J-TEXT托卡馬克超聲分子束注入的實驗研究.pdf

1、托卡馬克等離子體需要滿足能量三重積條件，才能實現(xiàn)可控核聚變反應的自持燃燒。為了達到要求的等離子體密度，快速高效、經(jīng)濟節(jié)約的等離子體加料手段必不可少。傳統(tǒng)的普通送氣方法加料效率低，響應時間長，不能滿足將來聚變裝置的要求。因此，有必要進一步探索新的加料方式。超聲分子束注入（SMBI）具有加料效率高、結(jié)構(gòu)簡單和用途廣泛等特點，已經(jīng)在國內(nèi)外不同磁約束聚變研究裝置上得到應用，取得了不少進展。弄清楚超聲分子束的注入過程以及和等離子體相互作用的機制，

2、同時結(jié)合現(xiàn)有的加料手段，為托卡馬克裝置甚至是將來的聚變反應堆提供高效的加料方案，是當前研究需要解決的問題。除了等離子體加料，SMBI還應用于粒子輸運、ELM控制、非局域電子熱輸運、等離子體密度反饋等不同的物理實驗研究中，成為一種良好的邊緣調(diào)制手段。本論文的主要工作為J-TEXT托卡馬克超聲分子束系統(tǒng)的設(shè)計和搭建，以及應用于等離子體加料和非局域熱輸運物理實驗的相關(guān)研究。
　　本文調(diào)研了超聲分子束的形成原理，介紹了國內(nèi)外各個裝置上超聲

3、分子束系統(tǒng)的發(fā)展概況。在借鑒以往經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計并搭建了J-TEXT托卡馬克超聲分子束系統(tǒng)。該系統(tǒng)擁有HSMBI和LSMBI兩套子系統(tǒng)，除了傳統(tǒng)的垂直注入和常溫注入以外，能夠?qū)崿F(xiàn)角度注入和低溫注入。論文介紹了系統(tǒng)的組成部分，如氣路、注入器和控制器等，并給出了系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果。通過對比J-TEXT上不同注入?yún)?shù)（如壓強、脈寬等）下的加料效果，研究了超聲分子束加料劑量的影響。實驗發(fā)現(xiàn)不同注入量下的SMBI具有不同的加料效果，主要分為適量和大量

4、兩種情況。兩者的區(qū)別在于加料的同時是否激發(fā)起磁流體不穩(wěn)定性。在適量SMBI情況下，不穩(wěn)定性不會被激發(fā)，氣體注入后能能快速、明顯提升等離子體密度，最大加料效率達到50％。在大量SMBI情況下，不穩(wěn)定性行為被激發(fā)，等離子體約束性能變差，加料效果受到影響，效率只有10%-25%。論文研究了加料效率和等離子體參數(shù)的關(guān)系，探討了超聲分子束加料方案的優(yōu)化問題。對超聲分子束的注入過程和注入期間的等離子體行為做了相應的分析，估計了SMBI進入等離子體之

5、前的平均速度，并觀察了其沉積位置。實驗發(fā)現(xiàn)，超聲分子束氣體主要沉積在限制器以內(nèi)1-2cm附近，最大注入深度能達到4cm以上。論文介紹了SMBI注入期間溫度、輻射、邊界轉(zhuǎn)動速度和湍流等參數(shù)的時間演化過程。實驗發(fā)現(xiàn)在適量SMBI情況下，一定程度的電流密度峰化有助于改善等離子體約束，邊界離子飽和流和懸浮電位的漲落量下降。而在大量SMBI情況下，引起的芯部電流密度過于峰化，往往激發(fā)m=2，n=1的撕裂模不穩(wěn)定性。在J-TEXT低密度放電條件下，