分子束注入HL-1M装置等离子体的行为

一种新的气体加料方法——分子束注入,在HL-1M装置上进行了实验。脉冲高速分子束是由高压气体通过拉瓦尔(Laval)喷口形成的。准直的氢分子束平均速度约为500m·s~(-1)。一个分子束脉冲通过拉瓦尔喷口进入真空室的粒子数为6×10~(19)个。一系列氦分子束脉冲注入HL-1M低密度((?)=4×10~(18)m~(-3))氢等离子体,氦粒子穿透深度可达到12cm,电子密度上升率达到3.1×10~(-20)m~(-3)·s~(-1)而始终保持稳态,密度峰值为5.6×10~(19)m~(-3)。在氦分子束脉冲注入后100ms,电子密度剖面峰化因子达到最大值Q_n=n_e(O)/〈n_e〉=1.51,其中,n_e(O)为中心密度,〈n_e〉为体平均密度。由反磁测量得出能量约束时间τ_E为28ms,较在相同运行条件下常规喷气加料高30％。分子束加料τ_E的改善和Q_n值的增加可与HL-1M装置的小弹丸注入和ASDEX装置[Kaufmann M et al,Nucl.Fusion 28(1988)827]的低速弹丸注入结果相比拟。除了氦的同位素效应之外,粒子注入的深度引起密度剖面峰化是约束改善的重要因素。因为在HL-1M装置常规喷气加料的Q_n值仅为1.4。分子束加料后的粒子约束时间比加料前高6倍。     

托卡马克超声分子束注入加料的进展

超声分子束注入作为一种新的托卡马克加料方法由作者在1992年首次提出并于当年在中国环流器一号(HL-1)装置演示成功,随后相继应用于中国环流器新一号(HL-1M)和中国科学院超导托卡马克HT-7装置。超声分子束注入等离子体呈现出电子密度峰化和温度中空分布的特征;等离子体流极向旋转速度提高,边缘扰动被抑制,等离子体能量约束得到改善。加料效率较常规脉冲送气提高一倍,而滞留器壁的粒子大为减少。近期开展的高气压氢超分子束注入实验,在束流中发现团簇流,可注入等离子体中心区域。多脉冲分子束注入形成电子密度的阶跃上升,如同冰弹丸注入效果。近年来该项技术已陆续应用于国外大型托卡马克和仿星器,是核聚变装置稳态运行的一种有效的加料方法。     

HL-1M装置超声分子束流注入过程中的团簇现象

在环流器等离子体中用超声分子束流注入加料,引起密度峰化和约束改善,其主要机制归结为加料粒子的注入深化和密度上升率(注入效率)的提高。本文主要介绍经过改进的超声分子束流注入HL-1M装置等离子体利用边缘H_α。线辐射、径向可伸缩的静电探针和顺着束流注入方向的CCD摄像等诊断技术,考察了粒子注入口及注入口附近区域电子温度和密度沿径向分布的变化,研究了分子束粒子注入等离子体的所谓“冷通道模型”及其效应。     

HL-1M装置离子回旋波注入实验的边缘参数测量

为了提高等离子体温度和密度,在高参数下从事托卡马克等离子体物理研究,在HL-1M装置上进行低杂波加热和电子回旋波加热的基础上,我们最近开展了离子回旋波注入和中性束注入加热实验,以及弹丸注入加料和分子束注入(MBI)加料实验,特别是在后者的实验中获得了很高的粒子和能量约束时间。     

脉冲分子束注入HI-1M装置等离子体行为研究(英文)

介于已有的喷气(Gas puffing)和弹丸注入(Ice pellet injection)之间,提出了一种新的托卡马克加料手段—脉冲超声分子束注入。在较高的粒子注入通量5×10~(19)脉冲~(-1)时,氢分子的速度仍可达到500m/s。一系列氦分子束脉冲注入初始密度为(?)=0.4×10~(19)m~(-3)HL-1M真空室氢等离子体,经过160ms,密度上升至(?)=5.4×10~(19)m~(-3)。根据脉冲分子束注入初期氦光谱(HeⅠ587.6nm)强度的径向分布,1/3峰高位于r=12cm附近。注入后粒子约束时间增加5倍。由于气体粒子注入深化,电子密度峰化因子Q_n=n_e(0)/     

脉冲分子束注入HL-1M装置等离子体行为研究

介于已有的喷气(Gas puffing)和弹丸注入(Ice pellet injection)之间,提出了一种新的托卡马克加料手段——脉冲超声分子束注入。在较高的粒子注入通量5×10~(19)/脉冲时,氢分子的速度仍可达到500m/s。一系列氦分子束脉冲注入初始密度为(?)=0.4×10~(19)m~(-3)HL-1M真空室氢等离子体,经过160ms,密度上升至(?)=5.4×10~(19)m~(-3)。根据脉冲分子束注入初期氦光谱(He I 587·6nm)强度的径向分布,1/3峰高位于γ=12cm附近。注入     

HL-1装置分子束注入实验研究

提出一种气体加料的新方法,采用高压氘气通过拉瓦尔喷嘴经一级分离器形成分子束注入HL-1装置等离子体,氘气体分子流量为3×10~(20)/s在线平均电子密度5.2×10~(19)m~(-3)时,粒子束速度可达到100m/s,随着等离子体密度和温度持续升高,粒子束通量很快衰减。当分子束注入结束并转为常规喷气加料时,D_α辐射强度急剧下降,与此同时,粒子对流沿径向朝等离子体芯部运动速度逐渐递增,电子密度分布继续峰化、电子密度持续上升达45ms。等离子体热能、粒子约束和能量约束时间均有所增加。分子束注入加料是一种定向的高效的加料手段,加料粒子可深入等离子体8cm,进入q≈2附近约束区。加料效率约为50％,壁表面粒子再循环率系数R≈0.6,低于常规喷气加料10％。     

HL-1M等离子体加料密度特性

等离子体加料和密度控制是磁约束核聚变基本研究内容之一。HL-1M实验装置用8发PI系统与SMBI和GP组成联合加料系统,以它们相互配合进行了一系列放电实验,取得了丰硕的成果,本文就等离子体电子密度、改善约束特性与燃料粒子注入深度、放电装置器壁再循环的关系等结果作一介绍。     

HL-1M装置边缘等离子体特性研究

边缘和芯部等离子体的同时控制对优化托卡马克等离子体性能是重要的。边缘等离子体密度、温度和空间电位等通常采用朗缪尔静电探针测量,而旋转速度可用马赫探针测量。好的加料技术对于获得高性能等离子体也很重要,在HL-1M装置上已开展了8发弹丸注入和分子束注入(MBI)加料实验,它能使等离子体产生中空的温度和电流密度分布,并容易获得高密度和良好的约束。本文主要介绍在低杂波电流驱动(LHCD)、多发弹丸注入和MBI三种典型放电中边缘等离子体参数的测量结果。     

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。     

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。     

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     

前言

核工业西南物理研究院1998年年报和读者见面了。这是自1983年创刊之后,第一次由原子能出版社正式出版。它基本反映了一年来我院在受控核聚变研究以及民品开发等方面的主要科研成果。它的公开出版将有利于加强本院与国内外的交流与合作,促进科研和民品工作的发展。可喜可贺。 1998年我院受控核聚变研究工作在核工业总公司和国家计委、财政部、国防科工委等上级部门的领导和支持下跨入了新的里程。HL-1M物理实验,随着两项新的辅助加热系统(中性束注入、离子回旋共振系统)的建成并投入实验,HL-1M装置上已拥有了中性束注入加热、电子回旋共振加热、离子回旋共振加热、低混杂波电流驱动与加热等目前国际受控核聚变研究中普遍采用的主要辅助加热和电流驱动手段;此外,具备了多发弹丸注入、超声分子束注入等先进齐全的加料系统以及世界先进的硼化、硅化、锂化等真空室第一壁处     

HL-1M装置弹丸穿透特性的分析

在HL-1M装置氢弹丸注入实验中,通过观测注入截面中的氢原子的H_α线发光强度对时间和空间的变化,在对几十发不同直径的弹丸注入方法进行分析的基础上,重点研究了氢弹丸的穿透特性、注入深度与弹丸速度之间的关系。 Spitzer于1954年就提出了采用弹丸注入方法对等离子体进行加料的设想,但时隔20年后,这种设想才引起人们的关注。由于弹丸注入加料效率高,且为控制等离子体密度提供了灵活性,而用中性气     

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     

HL-1M弹丸加料等离子体密度特性

HL-1M装置在欧姆加热条件下进行过在一次放电中注入1～4粒小弹丸加料研究。今年,在一次放电中实现了8粒氢弹丸的连续注入,并对密度分布和扰动特征以及这些特征与装置器壁再循环、弹丸大小、注入速度和间隙的关系进行了进一步的研究。实验表明器壁再循环对高密度的获得有重要的影响。在再循环很小时,发射间隙适当的条件下,HL-1M能接受8发弹丸连续注入。而再循环较高的条件下连续注入3粒φ1.0mm弹丸获得了本轮加料实验的最好参数:等离子体中心密度n_e(0)=5.3×10~(13)cm~(-3),总体储能W_p=6.0 kJ,τ_e=26ms。用CCD相机拍摄了弹丸消融云的照片,对消融过程进行了简要的分析,证实消融的不对称和弹丸轨迹的偏转是电子侧消融强于离子侧的结果,弹丸发射间隙及完整性对密度扰动有重要的影响。     

在HL-1M装置中加热与加料匹配问题的理论研究

加热与加料是HL-1M装置上两个重要实验课题。为了在有辅助加热的情况下,所加燃料大都沉积在磁轴附近,文中提出了一种加热与加料交叉实施方案,这就出现了两者之间的匹配问题,因为有效的加热往往有赖于良好的密度分布,而预期的加料沉积又与等离子体加热结果相关。这里根据每种加热的有效条件,给出了加料的要求,即注入弹丸的大小和个数。     

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(英文)

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又随着密度和压强分布的峰化程度的增大而改变。另一方面,等离子体中心磁流体动力学(MHD)活性在限制可达到的中心等离子体压强和决定中心输运特性上起着重要作用,标志着弹丸注入约束改善的峰化的密度、压强分布在出现第一个大锯齿后平化。随着弹丸穿透的加深,芯部区域的压强(密度)梯度变陡,中心MHD活性受到弹丸注入的强烈影响,锯齿崩溃特征有在更高密度、更高压强下时才出现的类理想模的特性,并在崩溃过程中m=1模的发展与一个非常定域的压强扰动耦合。     

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。