HL-2A托卡马克实验进展和科学创新

中国环流器二号A(HL-2A)托卡马克是中国第一个带偏滤器的大型受控核聚变研究装置.文章综述了在HL-2A托卡马克装置上的重要实验结果.自从HL-2A装置建成以来,有以下3个重要进展:实现了等离子体偏滤器位形放电;等离子体电子温度达到5500万度;实现了具有边缘局域模的高约束(H模)放电.随着HL-2A装置辅助加热能力和先进等离子体诊断等系统的发展,该装置在聚变等离子体物理的若干领域做出了以下创新性的贡献:实验验证了对聚变等离子体输运有重要影响的带状流的三维结构;进一步发展了原创的分子束加料技术,并且成功地应用于等离子体输运研究;用低频调制的电子回旋共振加热(ECRH)对撕裂模进行了有效的抑制,并使约束得到改善;观测到高能电子激发的内部扭曲模和阿尔芬模等新的物理现象.文章还简要介绍了该装置的发展计划及近期要开展的物理实验研究内容.     

HL-2A装置上ECRH实验的初步结果和电子热输运分析

电子回旋共振加热（ECRH）是托卡马克等离子体一种最常用的辅助加热手段，也是进行等离子体电子热输运和约束性能研究的一种有效手段。本文介绍了HL-2A装置上ECRH实验的初步结果，分析了在ECRH实验期间的电子热输运特征和约束情况。     

HL-2A装置ECRH系统回旋管超导磁体的调试

为了在HL-2A装置上开展电子回旋共振加热实验研究，我院从俄罗斯GYCOM公司引进了两套4mm回旋管。它们均配有一个超导磁体系统，提供回旋管所需的磁场位形。回旋管中的磁场不仅仅起聚焦作用，更重要的是形成回旋电子束必不可少的，其作用为：（1）电子要产生回旋运动必须要有磁场；（2）回旋电子束要获得足够强的横向能量必须有足够强的绝热压缩量。通过调试测量了磁体磁场分布，确定了磁体工作电流及回旋管工作频率。     

HL-2A装置二级加热工作进展

本年度等离子体加热研究室开展了以HL-2A装置二级加热为主要任务的科研项目，完成了电子回旋共振加热项目的工程研制（2MW／1s），进一步完善了低杂波电流驱动项目，在HL-2A装置实验中取得了良好的结果，目前正在开展中性求项同的建设。各项研究工作将在本文中作一介绍。     

HL-2A装置边缘扰动特性的研究

HL-2A装置边缘等离子体的扰动特性是通过中平面往复快速扫描气动6探针组来进行研究的。它在一次放电中能测量边缘等离子体参数的时空分布及其涨落量，以及静电涨落驱动的粒子通量和热通量在径向的变化。分析了在多发弹丸注入（MPI）、多脉冲超声分予束注入（SMBI）和电子回旋加热（ECRH）条件下的边界等离子体特性，研究边缘参数的涨落和相关特性。     

2005年博士、硕士研究生毕业论文简介

先进等离子体材料表面复合优化处理技术及应用的研究,托卡马克边缘等离子体现象及线光谱轮廓的遗传算法模拟,HL-2A装置等离子体的边界识别和实时显示,高比压等离子体中电子温度梯度不稳定性的回旋动力学研究,HL-2A托卡马克偏滤器中的等离子体密度测量和分析,……[编者按]     

撕裂模实时主动控制系统

在HL-2A装置上发展了一套撕裂模实时主动控制系统。该系统在放电期间用电子回旋发射/软X射线诊断实时确定撕裂模的几何位置,结合实时剖面重建和电子回旋波沉积计算,得到电子回旋波反射镜的控制角度值。通过电机实时驱动电子回旋波反射镜到达指定角度,使得电子回旋波功率沉积在撕裂模的有理磁面附近,改变当地局部的电流剖面,从而控制撕裂模,改善等离子体约束。该系统已经在2015年以后的实验中投入使用,并取得了良好的控制效果。它不仅能够实时发现并控制经典撕裂模,并且具有控制新经典撕裂模的潜力。     

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。     

HL-2A装置等离子体电子回旋加热的理论研究

电子回旋加热是HL-2A装置主要二级加热手段之一。在通常运行条件下，HL-2A装置欧姆加热功率估计为300-450kW范围（按总环向电流300kA，环压1-1．5V估算）。而电子回旋加热的总功率已达1MW，有望增加到2MW。     

HL-2A装置与HL-2M装置控制处理研究与发展

2006年，围绕HL-2A装置实验控制、数据采集与处理，开展了高性能计算系统建设，基于EFIT代码的HL-2A等离子体位形重建以及若干大型代码的引进移植；实施了水平场电源部分有环流控制；设计制作了新型抗干扰采集器；开展了基于模拟信号脉冲识别的计数研究，在此基础上通过SDD诊断数据计算获得了等离子体电子温度；对HL-2A数据存储系统与实验网进行了全面升级，围绕HL-2M项目，开展了HL-2M位形和极向场线圈设计，HL-2M等离子体控制系统的预研．     

HL-2A装置ECRH系统指标介绍

在HL-2A装置上正在开展电子回旋共振加热（ECRH）项目的工程研制，系统具有1MW，68GHz，1s的微波规模。采用弱场侧O模式注入，ECRH的定域加热特性可以用于等离子体加热、电流驱动和分布控制以及改善约束等实验的物理研究。到目前为止，电子回旋共振加热的各项子系统正在设计和研制中，系统的总体物理和工程参数已经初步确定，在此对其作一介绍。     

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HL-2A装置3MW ECRH系统采用双高压电源形式的电子回旋管,阴极高压电源为回旋管提供加速束电流,阳极高压电源对通过转换区后的束电流施加减速作用,利于回旋管收集极吸收。根据回旋管运行特点和各回旋管不同的工作特性,合理优化回旋管阴极、阳极高压电源工作电压和其他参数。通过远程监控系统,使同时工作的回旋管处于较好的工作状态,充分提高 HL-2A 装置 ECRH 系统多管运行的微波输出功率。实验中,6支回旋管同时运行时,微波最高输出功率2.5MW,达到设计额定值83%,使HL-2A装置中等离子体得到了有效的加热。     

电子回旋微波系统弧光打火实时保护电路的应用

在2005年对电子回旋共振加热（ECRH）系统进行了整体工程调试，并投入到HL-2A物理实验中。为了保证ECRH系统的安全运行，对保护系统开展了深入的研究，建立了有效的测量和快速反馈保护系统，对ECRH系统的安全运行起到了积极的作用。电子回旋共振加热保护系统的首要任务是对回旋管的保护，这对回旋管实施拉弧打火保护是极为重要的。     

HL-2A装置3MW 68GHz ECRH系统调试与运行

HL-2A装置3MW ECRH系统采用双高压电源形式的电子回旋管,阴极高压电源为回旋管提供加速束电流,阳极高压电源对通过转换区后的束电流施加减速作用,利于回旋管收集极吸收。根据回旋管运行特点和各回旋管不同的工作特性,合理优化回旋管阴极、阳极高压电源工作电压和其他参数。通过远程监控系统,使同时工作的回旋管处于较好的工作状态,充分提高HL-2A装置ECRH系统多管运行的微波输出功率。实验中,6支回旋管同时运行时,微波最高输出功率2.5MW,达到设计额定值83%,使HL-2A装置中等离子体得到了有效的加热。     

TZ-2型高压脉冲调制器的研制

在HL-2A装置上将开展多项辅助加热实验，其中电子回旋波加热实验研究是等离子体二级加热的手段之一。今年从俄罗斯引进了两只500kW的回旋管，可做1Mw电子回旋共振加热实验。为此，我们根据电子回旋加热实验的要求研制了两套TZ-2型高压脉冲调制器，在今年的物理实验中验证了它的可靠性，其性能的稳定和安全满足了实验的要求。电子回旋加热的功率为200-300kW，脉冲宽度1000ms，在实验中观察到电子温度上升约200eV，同时也观察到热辐射和X射线辐射的上升，为进一步开展大功率长脉冲实验打下了基础。     

斜变法在HL-2A电子回旋加热功率沉积计算中的应用

介绍了用斜变法计算等离子体在辅助加热中能量沉积剖面的基本原理,并首次在HL-2A上利用斜变法处理在电子回旋波注入时刻电子的温度密度等参数数据,得出了电子回旋在轴加热和离轴加热的功率沉积剖面,验证了该方法的适用性.     

HL-2A装置低杂波加热实验系统的微机控制与数据采集设计方案

为了对等离子体与波的相互作用进行研究，在HL-2A装置中将开展低混杂波电流驱动和电子回旋加热实验，拟采用微机控制。同时为了使波加热实验简便、灵活，确保装置放电时人身安全和设备安全必须实施微机控制。HL-2A装置上低杂波加热实验系统微机控制主要任务是监视整个系统的运行状态、控制整个系统放电过程的时序、保护系统的逻辑控制以及与中央控制系统的通信联络等。     

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在HL-2A装置孔栏位形放电的等离子体实验中,电子回旋辅助加热期间观察到了等离子体约束改善的现象,并对等离子体从低约束模式(L模)向约束改善模式转换时的等离子体线平均电子密度、等离子体储能、分界面内辐射功率、能量约束时间、Hα辐射等进行了研究。同时,分析了电子密度和等离子体辐射功率的空间分布随时间的演化。对改善约束的相关功率(辅助加热、欧姆加热功率和损失功率)进行了分析,并研究了等离子体约束改善转换时的边界净输入功率(阈值)与电子线平均密度和环向磁场的关系。     

HL-2A边缘等离子体中捕获电子模的线性数值模拟

利用GTC程序和HL-2A装置的实验数据,对托卡马克边缘等离子体中的漂移波微观不稳定性进行了线性数值模拟。模拟结果表明,在HL-2A边缘等离子体中捕获电子模(TEM)是不稳定的,它均匀且规则地分布在托卡马克的弱磁场区域,而且其增长率随着等离子体的温度梯度和密度梯度的增加而增加。另外,模拟结果还表明,TEM的实频率远远小于离子的漂移频率,这一点与理论研究结果是一致的。     

HL-1M装置中的离轴电子回旋加热实验

在HL-1M装置上进行了离轴电子回旋加热实验。研究了电子温度的变化，等离子体密度对加热效果的影响，离轴加热条件下MHD锯齿的变化，波对m/nk=1/1模的影响及在与低杂波电流驱动共同作用下的各种实验现象。 这些现象被认为与高能电子和它们的分布有关。