HT—6M装置中性束注入加热初步实验

一、引 言 在受控核聚变领域中,中性束注入是加热高温等离子体最有效方法之一。目前,几乎所有托卡马克实验中所获得高的温度,都是在有中性束注入情况下实现的。而用中性束注入加热托卡马克等离子体在国内尚属首次。 中性束注入系统的关键是离子源引出高能离子束,经过中性化室将高能离子束转变成高能中性束,并注入到装置中去加热等离子体,以提高等离子体的离子温度。 该系统涉及技术领域广,工程量大,经过多年艰苦努力,HT-6M装置中性束注入系统,终于进入实验阶段。本文介绍当50kW中性束注入HT-6M装置后,等离子体温度净增约80eV。     

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中性束注入是等离子体加热和电流驱动的重要方式之一,对EAST中性束注入的精确模拟对未来物理实验至关重要.采用ONETWO和NUBEAM程序模拟4MW、80keV中性束同向注入,不同的等离子体密度剖面导致不同的电子和离子加热、穿透功率损失、束驱动电流以及中子发射等.等离子体密度在以上的物理参数的演化中起着重要的作用.对EAST两种密度方案下中性束注入的效果进行了分析和讨论,并对未来中性束实验提供了一些预言性的建议和方案.     

中性束注入加热下旋转和Zeff对EAST中子出射影响的研究

为了判断中性束注入加热效果和研究等离子体宏观旋转和有效电荷数(Z_eff)对中子出射的影响,结合实验数据,利用TRANSP模拟程序研究了EAST中性束注入加热时,等离子体旋转速度、有效电荷数Z_eff以及等离子体储能与中子出射率的关系。模拟结果表明,在能量为65keV、功率为2.89MW的中性束注入加热时,等离子体产生较大的旋转,旋转减少快离子热化时间,降低中子产额;有效电荷数Zeff增加时,快离子投掷角散射增强,束靶反应减少,中子产额缩减。中子出射率随等离子体储能的增加而增加。     

中性束注入加热下旋转和Z_(eff)对EAST中子出射影响的研究

为了判断中性束注入加热效果和研究等离子体宏观旋转和有效电荷数(Z_(eff))对中子出射的影响,结合实验数据,利用TRANSP模拟程序研究了EAST中性束注入加热时,等离子体旋转速度、有效电荷数Z_(eff)以及等离子体储能与中子出射率的关系。模拟结果表明,在能量为65keV、功率为2.89MW的中性束注入加热时,等离子体产生较大的旋转,旋转减少快离子热化时间,降低中子产额;有效电荷数Z_(eff)增加时,快离子投掷角散射增强,束靶反应减少,中子产额缩减。中子出射率随等离子体储能的增加而增加。     

高能中性束注入加热

本文仔细地研究了高能中性束注入加热的有关问题,利用多束模型计算了中性束注入加热。本文的主要特点是在捕获快离子与本底离子和电子能量交换表示式中,直接用误差函数积分进行计算,而不像以前的计算中作大参量和小参量展开近似。当快离子能量比较低时,大参量展开不再适用,因此本文的计算更为精确,更为有用。给出了多束注入加热的计算结果及其结果的讨论。本计算方法可与输运方程联立求解,数值模拟等离子体行为。     

HT-6M中性束注入加热理论分析

通过数值求解含时、二维(速度空间)、非线性的Fokker-Planck方程,计算了HT-6M托克马克在中性束注入加热条件下的离子温度、分布函数随时间的演化.随着中性束的注入,离子温度稳步增加,分布函数出现高能平台和非同向分布,计算结果和现有的实验符合较好. 关键词：     

HL—1M装置等离子体离子温度测量

在ＨＬ－１Ｍ托卡马克装置上，利用８通道中性粒子能谱仪测量的等离子体离子温度。在等离子体电流和密变化、激光吹气、弹丸注入，超声分子束注入和低混杂波加热等实验条件下，观测了Ｔｉ的变化。     

基于EAST束发射光谱的中性束衰减特征研究

中性束注入(NBI)是托卡马克装置重要的辅助加热与电流驱动手段,中性原子的离化是决定中性束的加热(能量和粒子沉积剖面)和电流驱动效率的关键环节。通常情况下,利用背景等离子体参数与中性束参数模拟计算快的中性粒子与等离子体的离化,即中性束沉积过程,进而分析托卡马克中性束加热和电流驱动效果。束发射光谱是高能中性粒子注入等离子体后,与等离子体的电子、离子发生碰撞激发,中性粒子退激发过程中产生的一系列特征谱线,其束发射光谱强度受等离子体密度、温度、束能量、束密度等因素影响,可以利用束发射光谱强度变化研究中性束的衰减特性。在EAST托卡马克上通过实验测量中性束粒子与等离子体碰撞激发的光谱强度,分析得到了中性束在不同等离子体密度以及不同中性束能量下的衰减特性,并采用主动束光谱仿真与数值分析软件(SOS)进行了相应的模拟计算,研究表明实验测量与模拟计算结果两者具有较好的一致性,这验证了通过实验测量束发射光谱获取中性束衰减特征的可行性。     

HL-2A装置上超声分子束注入触发L-H转换的实验研究

利用具有定向速度的超声分子束注入技术,研究了HL-2A装置在较低加热功率条件下实现L-H转换的等离子体放电特征,从边缘密度分布的差异比较分析了普通送气和超声分子束注入对L-H转换的影响.实验结果表明,HL-2A装置上采用超声分子束注入可直接触发L-H转换,明显降低L-H转换功率.通过对大量实验数据的分析和整理发现,利用超声分子束注入实现L-H转换的最低加热功率,比同等条件下采用普通送气实现L-H转换的最低加热功率减少约10％.     

HL—1M中性束注入期间离子温度的变化

在ＭＬ－１Ｍ中性束注入期间,我们用电荷交换中性普子能谱仪测量了等离子体离子温度的。结果表明,加热效果比较好时,离子温度可提高１倍左右。     

热离子、超热离子和离子加热

通过区分热离子和超热离子,讨论了ＨＬ－１Ｍ等离子体中性粒子束加热的」初步实验结果,分析表明,虽然电子对离子的磁撞加热机制仍然占主导地位,但中性粒子束也加热了离子。     

HL-2M装置中性束注入加热系统研制进展

为开展磁约束堆芯燃烧等离子体物理实验,正在建造的HL-2M装置拟建造3条5 MW的中性束注入加热束线。简要概述了HL-2M装置NBI加热系统的总体规划,第1条5MW-NBI加热束线的设计,离子源调试实验,注入器核心部件的安装和测试结果。通过调试,目前单个离子源引出束流达到36 A,加速电压75 kV,离子束功率达到2.4 MW,脉冲宽度3 s。通过测试发现:注入器的4条离子束汇聚角误差小于±0.1°,残留离子偏转磁体的磁场测试值与模拟计算值偏差小于±5%,注入器静态真空值达到1.0×10-3 Pa。注入器采用大型非标低温泵,低温泵的抽速达到2.40×106 L/s。第1条5MW-NBI加热束线的试装和测试结果表明,该束线能够满足HL-2M装置NBI加热的技术要求。     

EAST中性束穿透损失分析

中性束注入(NBI)是托卡马克装置四种辅助加热手段(中性束注入、低杂波、离子回旋段波、电子回旋段波)中加热效率最高、物理机制最清楚的一种等离子体加热技术,是国际聚变界公认的最有效的辅助加热手段之一。为了探究EAST-NBI的穿透损失,通过对穿透损失率产生原理的理论分析,设计了具体硬件电路框图和实验方案,并通过实验验证了理论推导的正确性。具体做法首先通过对离子源束斑内中心点热电偶进行定量标定的方法作为穿透损失计算的标准。通过石墨瓦上热电偶单位能量下的温升与标定热电偶的温升之比来对穿透损失率进行计算。实验结果表明在一定的束能范围内,穿透损失率随着注入束能的增加而线性增长,穿透损失率随着等离子体密度增长呈指数衰减。     

HL—1M中性束注入系统研制及中性束加热初步实验

ＨＬ－１Ｍ 中性束注入系统是在国家“八六三计划”的支持下,由中俄合作研制的。介绍了中性束注入系统及其各个子系统的性能参数及调试结果,给出了中性束加热的初步实验结果     

HL-1M装置边缘参数测量

在HL－1M装置上利用马赫／郎缪尔探针分别在欧姆放电,低杂波注入,中性束注入,离子回旋加热和电子回旋加热等情况下测量下刮离层和等离子体边缘的极向流速度和电场,得到了它们的径向分布,研究了LHW,NBI,ICRH和ECRH对改善等离子体约束性能,边缘粒子的径向传输的影响。     

EAST中性束注入角度的NUBEAM模拟研究

采用蒙特卡罗程序NUBEAM对EAST NBI上的中性束注入角度(中性束系统中心线与注入窗口轴线的夹角)进行了分析。讨论了中性束注入角度对电流驱动效率、加热效率和束的穿透功率的影响,对EAST NBI系统选取了一个最优的注入角度。模拟结果表明：对EAST NBI系统,在典型的EAST实验参数和实际工程允许的范围内,19.5°是最优的注入角度。在此注入角度下,可以通过增大等离子体密度的方法来进一步提高加热效率和电流驱动效率,并减少束的穿透功率。