HL—1M装置1998年物理实验进展报告

报道了ＨＬ－１Ｍ装置１９９８年度物理实验的进展情况。主要包括等离子体密度极限,中性束注入加热,离子回旋共振加热,低温杂波离子加热,多发弹丸注入,超声分子束注入等实验的情况。     

HT－6M托卡马克等离子体电子密度分布研究

根据等离子体电子密度诊断原理，建立了七道远红外ＨＣＮ激光干涉仪。用电子密度分布特征参数研究了ＨＴ－６Ｍ托卡马克上的边界欧姆加热（ＥＯＨ）、抽气限制器（ＰｕｍｐｉｎｇＬｉｍｉｔｅｒ）和离子回旋共振加热（ＩＣＲＨ）实验中的密度分布变化规律和约束特性。对于ＨＴ－６Ｍ托卡马克装置欧姆放电，密度分布特征参数ｕ约为１．１～１．３；约束改善的放电模式，ｕ上升到１．８～２．０，电子密度分布展宽；当密度分布特征多数ｕ≤０．９时，密度分布峰化，这是大破裂的先兆。     

HT－6M托卡马克等离子体电子密度分布研究

根据等离子体电子密度诊断原理，建立了七道远红外ＨＣＮ激光干涉仪。用电子密度分布特征参数研究了ＨＴ－６Ｍ托卡马克上的边界欧姆加热（ＥＯＨ）、抽气限制器（ＰｕｍｐｉｎｇＬｉｍｉｔｅｒ）和离子回旋共振加热（ＩＣＲＨ）实验中的密度分布变化规律和约束特性。对于ＨＴ－６Ｍ托卡马克装置欧姆放电，密度分布特征参数ｕ约为１．１～１．３；约束改善的放电模式，ｕ上升到１．８～２．０，电子密度分布展宽；当密度分布特征多数ｕ≤０．９时，密度分布峰化，这是大破裂的先兆。     

低混杂波电流驱动下注入杂质的输运

在欧姆放电和低混杂波电流驱动条件下,应用激光吹气技术注入金属杂质,用真空紫外谱仪测量了杂质线的辐射,给出了ＨＬ－１Ｍ 装置欧姆等离子体和低混杂波电流驱动等离子体杂质输运的研究结果。用杂质输运程序ＬＢＯ进行数值模拟,得出了等离子体中杂质的扩散系数Ｄ（ｒ） 和对流速度ｖ（ｒ）。在低混杂波电流驱动条件下,等离子体杂质的输运系数相对欧姆放电等离子体杂质的输运系数减小了５０％ 左右。结果表明,在ＨＬ－１Ｍ 装置上低混杂波电流驱动等离子体相对通常欧姆等离子体杂质的约束性能明显得到了改善     

弹丸和超声束流注入对边缘电场和等离子体旋转的影响

在欧姆放电，超声束流入和多发弹丸注入期间，利用马赫／朗缪尔探针组测量了ＨＬ－１Ｍ装置刮层和边界层的边缘电场和等离子体旋转；环向马赫数Ｍａ、极向流速度ｖｐｏｌ和电场Ｅｒ的径向分布是分别在超声束注入和多发弹丸注入期间进行测量的。     

HL－1M感应与低杂波组合电流驱动研究

本文结合ＨＬ－１Ｍ的基本参数，利用准线性的低杂波电流驱动理论和等离子体的电回路方程．研究了在控制等离子体总电流不变情形下欧姆感应和低杂波注入组合驱动电流的问题。结果表明，这一组合驱动方案对ＨＬ－１Ｍ装置的运行是可行的，其驱动电流分布可以通过改变低杂波注入功率、波谱形状、等离子体电子温度、密度以及总等离子体电流等加以控制。组合驱动的电流分布将优于欧姆驱动的电流分布，并可能抑制诸如锯齿振荡等一些ＭＨＤ不稳定性。     

HL－1装置辅助加热等对能量约束的影响

在ＨＬ－１托卡马克上进行了辅助加热、加料、电流驱动的物理实验研究。在改善等离子体约束方面，某些实验取得了较好的结果。在适当的稳定放电条件下，低杂波电流驱动和弹丸注入辅助加料，均能使等离子体能量约束得到一定程度的改善，与相同密度条件下的欧姆加热放电相比，能量约束时间提高了约３０％。在电子回旋共振加热等离子体实验中，等离子体总能量明显增加，但与相同密度条件下的欧姆加热放电相比，能量约束时间减少了约２０％。     

HL—1M感应与低杂波组合电流驱动研究

本文结合ＨＬ－１Ｍ的基本参数，利用准线性的低杂波电流驱动理论和等离子体的电回路方程，研究了在控制等离子体总电流不变情形下欧姆感应和低杂洲入组合驱动电流的问题。结果表明，这一组合驱动方案对ＨＬ－１Ｍ装置的运行是可行的，其驱动电流分布可以通过发迹低杂流注入功率、波谱形状、等离子体电子温度、密度以及总等离子体电流等加以控制。     

HL—1M多发弹丸加料等离子体的特性

对ＨＬ－１Ｍ装置在一次放电中注入３－８粒氢弹丸的欧姆加热等离子体密度分布和扰动特征进行了研究。实验表明,器壁再循环对高密度的获得有重要的影响。在再循环较高的条件下连续注入３粒１．０ｍｍ弹丸,获得了加料实验的最好参数：等离子体中心密度ｎｅ（０）＝５．３×１０１３ｃｍ－３,总体储能Ｗｐ＝６．０ｋＪ,τｅ＝２６ｍｓ。用ＣＣＤ相机拍摄了弹丸消融云的照片,并对消融过程进行了简要的分析。结果证实,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。     

HL—1装置辅助加热等对能量约束的影响

在ＨＬ－１托卡马克上进行了辅助加热，加料，电流驱动的物理实验研究。在改善等离子约束方面，某些实验取得了较好的结果。在适当的稳定放电条件下，低杂波电流驱动和弹丸注入辅助加料，均能使等离子体能量约束得到一定程度的改善，与相同密度条件下的欧姆加热放电相比，能量约束时间提高了约３０％。在电子回旋共振加热等离子体实验中，等离子体总能量明显增加，但与相同密度条件下的欧姆加热放电相比，能量约束时间减少了约２０％     

HL-1托卡马克中的氢再循环

本文从粒子平衡方程出发,运用Howe的氢再循环模型,借助于设置在不同位置并经绝对校准的H_α探测器测得的信号强度等实验数据,研究了HL-1托卡马克放电中总体再循环系数随时间变化,并采用Ehrenberg定义的加料效率的概念来分析在不同壁和孔栏条件或各种工作气体情况下的壁抽吸和壁加料现象,用四极质谱仪观察并比较了不同等离子体放电后的粒子释放情况,较系统地研究了HL-1装置不同运行条件下的再循环现象及其对粒子约束特性的影响。 关键词：     

Geschwindigkeitsverteilung,Teilchendichte, transversale Driftgeschwindigkeit und Energiedichte des Neutralgases in der Freifallsäule unter Berücksichtigung der „Neutralgasaufzehrung”︁ durch die Ionisationsvorgänge

A neutral gas rarefaction caused by ionization processes occurs in the plasma of the low pressure gas discharges. The velocity distributions, the particle density, the transversal drift velocity and the energy density of the neutral gas are calculated both for the plane and for the cylindrical positive column under free fall conditions. The neutral gas rarefaction is taken into account. It is shown, that the velocity distributions is non-Maxwellian and anisotropic. The pressure tensor is anisotropic, too. Particle density and energy density of neutral gas decrease with increasing electron density and electron temperature relatively homogeneously over the cross section of the column. Only, if the degree of ionization is high, these densities are much smaller near the axis than at the wall. Decreasing neutral gas temperature causes a similar change in the particle density profile as increasing electron density and electron temperature do. The transverse neutral gas pressure decreases from the axis to the wall in all cases. In the steady-state column an upper limit exists for the transverse particle current density of the neutral gas and of the ion gas. This limit depends on the gas temperature, the filling pressure and the atomic mass of the filling gas. In the appendix the Boltzmann equation is given in a form, which is suitable to investigate cylindrical problems not only for simple examples.     

Quasistationary high confinement discharges with trans-greenwald density on TEXTOR-94

Confinement quality as good as ELM-free H-mode at densities substantially above the Greenwald density limit ( &nmacr;(e,0)/n(GW) = 1.4) has been obtained in discharges with a radiative boundary under quasistationary conditions for 20 times the energy confinement time. This is achieved by optimizing the gas-fueling rate of RI-mode discharges which tailors their favorable energy confinement and leads to discharges with beta values just below the operational limit beta(n) = 2 of TEXTOR-94, thereby effectively avoiding confinement back transitions or disruptions. In addition, this high-density regime is favorable for helium removal and results in figures of merit tau(*)(p,He)/tau(E) approximately 10-15, relevant for a future fusion power reactor.     

可见光谱分析在HT-7边界再循环研究中的应用

HT-7超导托卡马克致力于准稳态放电及相关物理的研究。目前HT-7成功获得了长脉冲运行达近64 s的高温等离子体。大量实验证明,器壁上气体再循环对托卡马克等离子体的品质十分重要。采用光学多道分析仪(OSMA)系统通过氢氘比的测量来研究边界粒子的再循环。放电过程中,边界再循环对粒子的平衡起主导地位。在放电平稳,密度可控阶段,氘(氢)再循环起主导作用,此时再循环系数R≤1;而放电的后期随着边界温度的升高,辐射总功率的加强,密度进而处于不可控状态,此时R＞1, 杂质再循环也逐渐趋于主导地位,这是引起等离子体破裂的原因之一。利用此方法还可以进一步研究壁条件对边界再循环的影响。     

介质阻挡放电中栅栏发光斑图等离子体参量研究

采用高速录像机和光谱仪,研究了在双水电极介质阻挡放电装置中首次得到的由长短交替的棒状放电结构组成的栅栏斑图。通过观察20 μs曝光录像照片发现栅栏斑图由体放电和沿面放电组成。采用发射光谱法,利用N₂第二正带系(C³Π_u→B³Π_g)的发射谱线和Ar Ⅰ(2P₂→1S₅)谱线的展宽,分别测量和比较了不同体放电和沿面放电不同位置处的分子振动温度和电子密度。结果发现:斑图中具有较强沿面放电的体放电比具有较弱沿面放电的体放电拥有较高的分子振动温度和电子密度;在沿面放电的方向上,沿面放电的分子振动温度和电子密度均逐渐降低。理论分析证明,壁电荷在狭缝内的非等量分布是影响栅栏斑图形成的主要因素。     

Influence of the dynamic ergodic divertor on the density limit in TEXTOR

A significant influence of the dynamic ergodic divertor (DED) on the density limit in TEXTOR has been found. In Ohmic discharges, where without DED detachment normally arises at the density limit, a MARFE (multifaceted asymmetric radiation from the edge) develops when the DED is operated in a static regime. The threshold of the MARFE onset in the neutral beam heated plasmas is increased by applying 1 kHz ac DED at the high-field side. The theoretical predictions based on the parallel energy balance taking poloidal asymmetries into account agree well with the experimental observation.     

超声分子束注入密度和宽度对托克马克装置加料深度的影响

基于HL-2A托卡马克装置的真实磁场位形,应用大型边缘等离子体湍流模拟程序BOUT++中的子程序模块trans-neut对不同的超声分子束注入(SMBI)密度和宽度进行模拟.在SMBI过程中,保持单位时间内分子注入个数和注入速度恒定,在恒定通量情况下,通过调整注入分子束密度和宽度来研究SMBI注入深度的变化.研究结果表明:在注入密度较小、注入宽度较大时,SMBI的注入深度更深,分子和原子的分解率和电离率的时空区域较宽.分子分解局域化会抑制全局分解率的增长,而分解局域化又会引发局域分解率的加速增长,进而促进全局分解率的增长,促进效果占优导致在注入速度一定的情况下,恒定通量的分子注入发散角越小,分子注入深度越浅.     

Electron boltzmann kinetic equation averaged over fast electron bouncing and pitch-angle scattering for fast modeling of electron cyclotron resonance discharge

The electron distribution function (EDF) in an electron cyclotron resonance (ECR) discharge is far from Maxwellian. The self-consistent simulation of ECR discharges requires a calculation of the EDF on every magnetic line for various ion density profiles. The straightforward self-consistent simulation of ECR discharges using the Monte Carlo technique for the EDF calculation is very computer time expensive, since the electron and ion time scales are very different. An electron Boltzmann kinetic equation averaged over the fast electron bouncing and pitch-angle scattering was derived in order to develop an effective and operative tool for the fast modeling (FM) of low-pressure ECR discharges. An analytical solution for the EDF in a loss cone was derived. To check the validity of the FM, one-dimensional (in coordinate) and two-dimensional (in velocity) Monte Carlo simulation codes were developed. The validity of the fast modeling method is proved by comparison with the Monte Carlo simulations. The complete system of equations for FM is presented and ready for use in a comprehensive study of ECR discharges. The variations of plasma density and of wall and sheath potentials are analyzed by solving a self-consistent set of equations for the EDF.     

HL-2A充气弹丸注入加料的数值模拟研究

为了提高 HL-2A 等离子体中弹丸加料深度和加料效率,研制了新型充气弹丸注入加料方法。忽略 充气弹丸非加料包层的烧蚀过程,在 HL-2A 托卡马克位形下,应用 Trans-neut 程序对沉积在径向归一化磁通ψ=0.9 位置处的充气弹丸输运特性及其与本底等离子体自洽的相互作用过程进行了二维数值模拟研究,给出了加料粒子 和本底等离子体剖面的时空演化。发现氘离子在弹丸加料位置的径向内侧沉积、峰化,在径向扩散作用下,芯部 密度不断增加。在加料期间,加料点的离子温度和电子温度降低的区域不断扩展,电子温度剖面在极向上的演化 过程要快于离子温度剖面的演化过程。弹丸沉积位置的归一化分子数密度和径向分布宽度先减小后增加,与加料 处的分子分解源项(即分子密度损失率)先增加而后减小呈负相关。