反磁剪切等离子体中的电阻交换模不稳定性

具有内部输运垒（ITB）的反磁剪切（RS）等离子体位形是在托卡马克中获得高参数的最具前景的途径之一。这种位形不仅改善等离子体约束,而且可以改进象气球模和新经典撕裂模等这类宏观模的稳定性。然而,反磁剪切区域的高压强可以驱动电阻交换模不稳定性,从而破坏中心区的等离子体高参数。为了研究电阻交换模不稳定性的性质,并确定其在RS等离子体中发展的区域,我们利用在HL－2A中使用中性束注入建立的RS位形来分析电阻交换模不稳定性。     

HL-1M装置中电子回旋加热等离子体的热输运研究

研究反常输运一直是托卡马克的重要任务之一，实验已经证明了这些反常输运主要是由等离子体温度和密度梯度驱动的湍流引起的。以前的实验结果表明在具有内部输运垒的高参数等离子体中，离子的热扩散可以减小到新经典水平。这种输运的减小被认为是剪切流对离子温度梯度模的抑制作用。而电子的热输运目前是一个研究的热点。     

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基于托卡马克实验的L-H模转换过程中等离子体的输运特征,建立了一种简化的非线性等离子体输运模型。通过数值求解输运方程,得到了等离子体稳态温度分布剖面,成功模拟了托卡马克边缘输运势垒(ETB)的形成以及高辅助加热功率下的内部输运势垒(ITB)现象,并对比了有无输运势垒两种情况下托卡马克的能量约束效率。     

中国环流器2号A托卡马克弹丸注入放电中空电流与反磁剪切位形

具备弱剪切或负磁剪切和内部输运势垒的托卡马克运行方式被认为是提高聚变性能的最有前途的方法.中空电流密度剖面与反磁剪切位形是改进堆芯约束和形成内部输运垒的关键条件之一.在中国环流器2号A(HL-2A)弹丸注入实验中,成功地实现了维持时间约为100 ms的中空电流放电.伴随着中空电流剖面的形成,同时形成了反磁剪切位形.由于欧姆加热功率不太高,且没有外部辅助加热,只能在稳定的中空电流放电阶段看到内部输运垒形成的趋势.在弹丸注入后,电子热扩散系数显著降低,说明弹丸深度注入改善了能量约束.等离子体性能的增强:一方面是由于弹丸注入造成中心高度峰化的电子密度剖面;另一方面是由于等离子体中心存在负磁剪切.同时,中空电流位形有利于改善高密度等离子体的稳定性.结果还表明,在中空电流放电中,等离子体比压值是低的.为了提高βN极限,可在等离子体边界附近放置导电壁.HL-2A弹丸注入实验的结果,为在限制器托卡马克上获得高参数放电提供了一种可能.     

输运与撕裂模相互作用下等离子体的时空结构

本文应用等离子体一维输运模型与撕裂模理论,对于不同的输运模型和托卡马克放电参数下撕裂模的演变进行了数值研究。结果表明,能量过程是影响等离子体宏观稳定性行为的一个不可低估的重要因素,它们与磁流体稳定性的相互影响,会使其磁流体形态构成多种时间或空间结构,等离子体温度、密度等宏观参量也将表现出不同的时空特征。 关键词：     

“A=2托卡马克堆芯等离子体基本特性研究”2006年进展

主要涉及两方面的研究内容：第一是托卡马克等离子体的磁流体气球模稳定性研究；第二是HL-2A装置电子回旋加热有关的基础理论问题。包括三方面研究成果：（1）简要报道了关于负剪切区电阻气球模不稳定性及本征函数特性，给出了增长率与等离子体参数的定标关系；（2）利用Solov’ev位形中严格的气球模方程，讨论了应用广泛的s，α平衡模型的正确性；（3）计算分析了由弱磁场侧垂直入射的电子回旋波寻常模在HL-2A等离子体中的功率沉积剖面。     

等离子体理论和模拟研究进展

2006年等离子体理论与模拟研究室主要围绕以下2个方向展开了研究活动。进行了HL-2A装置的升级改造和实验的数值模拟，例如：HL-2A装置弹丸注入实验模拟和HL-2M装置平衡位形设计；对一些热门的等离子体物理问题进行了研究，例如：Streamer与电子温度梯度湍流的相互作用，剪切流和输运垒的形成机制等。     

托卡马克理想磁流体不稳定性的统一描述 (I)

在与平衡磁面相联系的坐标系下，用剪切阿尔芬波近似给出了统一描述托卡马克等离子体理想磁流体线性运动的本征模方程。利用此方程，可以进一步给出大尺度扰动（扭曲模、低模数气球模、阿尔芬模）和小尺度扰动（高模数气球模、Mercier模）的本征模方程。本文详细讨论了小尺度扰动的本征模方程。     

托卡马克等离子体内部输运垒触发机制的数值模拟和并行效率

对托卡马克等离子体内部输运垒触发机制的动力学特征进行了数值模拟,通过区域分解法实现了数值模拟程序并行化,并行效率随计算机规模的增加而提高,结果与理论分析相吻合.并行模拟程序也适合MHD非线性撕裂模的数值求解.     

利用低杂波改善约束的实验研究

介绍了在HT-6M托卡马克上,利用双低杂波的组合,成功地实现了准稳态的高约束模式运行. 能量约束时间提高两倍以上,粒子的约束在较高密度下依然改善3倍以上.通过应用波扩散及 电流径向扩散方程计算低杂波电流传播的方法,对一组典型的数据进行数值模拟.计算表明 ,在HT-6M低杂波实验中,由于纵场较低,密度较高,低杂波的能量沉积在离磁轴较远的位 置,使等离子体电流密度分布成为反剪切位形,内部输运垒地形成,大大提高了等离子体的 约束状况.实验数据也给出了反剪切的证据. 关键词： 托卡马克 低杂波 约束改善     

HL-2A装置高βN双输运垒实验的集成分析

HL-2A托卡马克装置在中性束加热条件下获得了稳定的归一化环向比压(β_N)大于2.5的等离子体,并且实现了瞬态β_N=3.05、归一化密度(n_e,1/n_e,G)～0.6、储能(W_E)～46 kJ和高约束因子(H₉₈)～1.65的高约束性能.本文使用集成模拟平台OMFIT对βN=2.83和βN=3.05时刻的等离子体进行了集成模拟,计算得到的W_E,n_e,1/n_e,G,H₉₈和β_N等与实验参数基本一致,并通过计算发现两种情况下自举电流份额(f_BS)分别约达到45%和46%.此外,还进一步分析了HL-2A装置形成离子温度内部输运垒(ITB)的原因:快离子和E×B剪切流使得芯部湍流输运被抑制,改善了约束,从而形成了离子温度ITB.离子温度的ITB与H模边缘输运垒相互协同形成了高β_N的等离子体.     

负磁剪切环形等离子体中的电子温度梯度不稳定性研究

本文用本征模积分方程研究了环形等离子体中磁剪切为负时由电子温度梯度驱动的不稳定性。考虑了电子的全部动力学效应，强调了稳定性阈值附近的模式行为及相应的湍性输运，给出了磁剪切为负的临界梯度的拟合公式。     

低杂波控制电流分布与改善约束研究

在HT-7超导托卡马克装置上利用低杂波电流驱动有效地控制了等离子体电流分布,并使等离子体约束性能改善。数值模拟与硬X射线测量结果均表明,低杂波的发射功率谱、纵场和等离子体密度对改变等离子体电流分布有明显的影响。在优化低杂波电流驱动实验参数的条件下,等离子体密度、温度分布发生了理想的变化。在电子和离子温度分布上出现了内部输运垒,同时等离子体的能量约束时间和粒子约束时间均有提高。     

HL-2A装置弹丸注入实验

弹丸注入加料与传统的补充送气加料方式相比具有以下几个优势：（1）更深的燃料沉积，（2）更高的加料效率，（3）更纯净的等离子体等。同时通过弹丸注入加料提高等离子体的性能已在很多托卡马克装置上得到了验证。由于弹丸注入后的粒子沉积会引起局部等离子体温度和密度梯度的变化从而影响等离子体输运性能，所以弹丸注入加料也可以作为研究粒子输运过程的方法。     

用双群模型研究表面位垒对离子反射的影响

低能离子在固体表面上反射,对于理解等离子体与聚变堆第一壁相互作用是十分重要的,当离子能量低于千电子伏以下时,表面位垒对离子反射的影响逐渐变得重要起来,本文应用轻离子输运双群模型,考虑了直方表面位垒对输运方程边界条件的影响,得到考虑了位垒影响的离子反射系数,结果表明,当离子能量下降到10倍固体表面位能以下,由于表面位能将引起轻离子反射系数明显减少。 关键词：     

高性能自持燃烧的氘氚等离子体

在等离子体密度分布一定的情况下，从电子、离子的能量输运方程出发，对常规剪切和中心负剪切位形下高性能自持燃烧的氘氚等离子体进行了研究.常规剪切下采用与能量约束改善因子H有关的Bohm热传导系数，中心负剪切下采用一个与磁剪切有关的Bohm-gyro-Bohm混合型的热传导系数，并考虑了α粒子反常扩散和动态反馈加热对氘氚自持燃烧的影响.研究结果表明，常规剪切下当H≥3时，才有较大的能量输出，当H接近4时无须动态反馈加热氘氚就能获得自持燃烧；在中心负剪切位形下，等离子体的运行性能更高，有更高的能量输出，一旦氘氚达 关键词： 高性能等离子体 氘氚自持燃烧 中心负剪切     

HL－1托卡马克杂质注入实验及杂质输运特性的研究

本文给出了ＨＬ－１托卡马克在通常欧姆放电和偏压诱发Ｈ模放电条件下，脉冲注入杂质气体的实验结果以及对杂质在通常欧姆等离子体和偏压诱发Ｈ模等离子体中的输运研究结果。实验结果表明，在ＨＬ－１上偏压诱发Ｈ模等离子体中对杂质的约束性能明显优于在通常欧姆等离子体中对杂质的约束性能。杂质输运的数值模拟结果说明，无论在通常欧姆等离子体中，还是在偏压诱发Ｈ模等离子体中，杂质的输运系数都比新经典理论预计的要大得多，输运是反常的。在偏压诱发的Ｈ模等离子体中引入杂质输运“位阱”概念，能够对杂质离子约束时间长的实验现象进行很好的描述。合理地解释了在偏压杂质注入实验中杂质辐射上升时间长、衰减慢的现象。     

送料方式与粒子约束改进的研究

峰化的电子密度分布已成为众多托卡马克装置在高运行区的一个标志性参数。这些区域包括ASDEX的改善欧姆约束区（IOC），AlcatorC的冰弹丸增强约束模（PEP）和TFTR的超级放电，它们获得的约束改善都伴随着芯部峰化的密度分布和内部输运垒。在实现点火的聚变堆研究中，峰化的密度和温度分布是提高和优化聚变反应速率和α粒子加热功率的必要途径。因此，实验观察和研究密度分布的控制和产生峰化的机理对于研究粒子的输运、改善约束是重要和必要的。     

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将理想全二维磁流体(MHD)稳定性数值代码GATO成功移植到HL-2A高性能计算系统,并用其模拟研究了HL-2A装置一次典型弹丸注入实验的等离子体的理想MHD稳定性。利用HL-2A装置第4050次放电的实验数据,应用EFIT代码重建了几个时间片的平衡位形,然后应用GATO代码对每个平衡位形的MHD稳定性进行了计算。通过对结果进行分析比较得出初步结论,由于弹丸注入而造成的反剪切位形的致稳作用,可以提高等离子体的约束性能。     

在HT-7托卡马克上密度扫描实验中的边界湍流和输运

在HT-7托卡马克上密度扫描实验中使用一个快速扫描气动朗缪尔探针来研究边界湍流和输运。随着中心弦平均等离子体密度的增加，在等离子体边界观察到径向电场剪切增强，径向电场的增强能够解释边界输运的减小和全局粒子约束的改善。粒子约束时间的增加和垂直扩散系数的减小证明粒子输运降低了。在等离子体边界区域发现电离和辐射驱动湍流的特征，表明电离和辐射在湍流驱动过程中具有重要性。