HL-1M装置弹丸和分子束加料的粒子输运研究

研究了IL-1M装置上弹丸和分子束加料的粒子输运。在研究粒子输运时拟合了粒子源分布，利用调制送气模型研究了分子束送气时的粒子输运。由弹丸注入后较长时间内密度的自然衰减研究了粒子输运，给出了一种简单的研究弹丸注入后粒子输运的方法。计算表明，分子束和弹丸注入改善了等离子体的粒子输运特性。将计算结果与实验测量进行了比较。     

EAST中加热功率对弹丸注入加料效率的影响

介绍了 EAST 装置气动加速氘弹丸注入加料系统和不同加热功率条件下弹丸加料效率的实验结果。 当等离子体加热功率从 1MW 逐渐增加到 10MW 时,弹丸加料效率从 60%降低到 10%。加热功率的升高导致弹 丸粒子的沉积深度 λp/a 降低达 50%左右,从而导致大量的弹丸粒子沉积在等离子体边界。     

弹丸实验中的粒子约束特性分析

多年来，许多托卡马克装置都在进行着氢弹丸和氘弹丸的注入实验研究，其主要目的在于探索用弹丸注入方法对将来聚变反应堆实验再加料的可行性。因为弹丸加料与气体加料相比具有使大部分加料粒子能沉积在等离子体芯部的明显优点。芯部加料可以产生更峰化的密度剖面和更高的聚变反应率，能改善能量和粒子约束特性。在JT－60，Alcator-C以及ASDEX等装置的弹丸实验中，在等离子体中心区域均获得了高度峰化的密度和压强分布，使等离子体的约束性能获得改善。     

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。     

托卡马克实验与工程——HL-2A装置上芯部弹丸加料中的电子热输运研究

从80年代中期开始，在许多聚变装置上观察到了用弹丸注入改善的等离子体能量约束。在JET和一些大型托卡马克上实现了弹丸增强约束模（PEP）。PEP模的机制也已在理论上做了分析。分析表明，有多种机制在减小反常输运中起作用，而这些机制的作用依赖于实验的条件。本文将报道在HL-2A装置上无辅助加热条件下的弹丸加料实验结果。该工作的着重点是研究在中心加料欧姆放电中的电子热输运。     

HL—2A装置先进加料系统

氢及其同位素固态小球的高速注入－弹丸加料是近十几年来受控核聚变研究中发展起来的一项新技术。它是将氢及其同位素（氘、氚）冷却成毫米量级固态小球,然后以高速注入到核聚变等离子体中实现燃料在等离子体芯部区域的有效沉积,以达到加料和密度控制的目的。现阶段该技术已广泛用于核聚变物理实验研究,主要研究内容包括粒子燃料机制、输运过程及改善约束的研究,同时也作为主动探针用于研究核聚变过程的其它特征。在将来的核反应堆中,由于涉及到氚的运行,先进的加热技术是燃料循环控制的主要手段。在维持高效率加料、高密度稳态燃烧的同时要保持良好的约束必须有能胜任此目标的技术支持,因此加料技术的发展与加料物理实验的研究不仅在现代磁约束核聚变实验研究中而且在将来的聚变核反应堆运行中都占有重要地位。     

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。     

HL—1M装置多发弹丸加料实验观测

首次在ＨＬ－１Ｍ装置上投放使用的多发弹丸加料系统，能一次注入多达４粒Φ１．０ｍｍ的氢弹丸，弹丸速度在５００－８００ｍ．ｓ＾－１之间。弹丸注入后，得到离子体密度峰化系数ｎｃ（０）／〈ｎｃ〉＝１．８能量约束时间与喷气加料放电的相比提高３０％以上的实验结果。观察到了弹丸注入等离子体引起弹丸消融物沿磁力线流动的图像变化，电子温度分布和ＭＨＤ行为的演变过程以及新的边缘等离子体特性。     

HL—1M多脉冲分子束注入的CCD摄像

HL－1M装置实现了一种新的气体加料改善约束的方法－分子束注入（用多脉冲高速分子束注入加料）。多脉冲分子束注入加料可以控制等离子体密度分布、改善约束性能和提高密度极限。HL－1M托卡马克的多脉冲分子束注入得到了高的加料效率、改进了能量约束并维持了较高的密度峰化截面。分子束加料τE的改善和Qn 值的增加可与HL－１M装置的小弹丸注入和ASDEX的小弹丸注入结果相比拟。脉冲高速分子束是由高压氢分子气体通过拉瓦尔（Laval)喷口形成的。在实验中CCD相机可以用于研究分子束与离子体相互作用的许多复杂物理现象,用它拍摄分子束在等离子体中的辐射云照片是研究分子束辐射过程极其有效的手段。     

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建立了计算托卡马克加料中弹丸消融的物理模型,结合1维输运模型编制了1.5维弹丸消融计算机模拟代码。使用ITER-FEAT的相关参数,对半径为6mm,初速度为2000m·s?1,从低磁场侧注入弹丸的消融速率进行了模拟计算。结果显示,弹丸消融速率先随注入深度而逐渐增大,最大消融速率约6×1026s?1,然后由于弹丸半径的减小,消融速率迅速减小,穿透深度约0.45m。这一结果与中性气体屏蔽模型(NGS)的结果一致,证明计算代码正确有效。同时,从计算结果反映出,对ITER这样的堆级托卡马克,采用常规弹丸注入方式,尽管速度高达2000m·s?1,穿透深度也远未达到等离子体中心,因此应采取其他有效措施来提高等离子体加料效率。     

用光谱学方法研究不同放电等离子体粒子约束

本文用光谱学方法研究在ＨＬ－１装置上ＬＨＣＤ及ＥＣＲＨ等离子体，弹丸注入等离子体，偏压电极与偏压孔栏等离子体粒子约束特性。结果表明：在弹丸注入使用正向偏压电极与偏压孔栏期间，等离子体粒子约束行到改善，较低密度下（＾ｎｅ＜２．０×１０＾１＾３ｃｍ＾－＾３），ＬＨＣＤ脉冲期间粒子约束得到改善；而当密度＾－ｎｅ大于２．０×１０＾１＾３ｃｍ＾－＾３时，等离子体约束变坏。ＥＣＲＨ脉冲期间粒子约束得不到改善。     

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Hα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多发弹丸注入的CCD摄像触发方式的改进

多发弹丸加料是为稳态聚变堆提出的,它可以控制放电等离子体密度分布,改善约束性能和提高密度极限,是国际受控核聚变研究的重要内容之一。在实验中CCD相机可以用于研究弹丸与等离子体相互作用的许多复杂物理现象,用它拍摄弹丸在等离子体中消融云的照片是研究弹丸消融过程极其有效的手段。1999年用改进后的8发氢弹丸加料系统在水平方向上注入HL－1M等离子体,用SensiCam360LF型CCD相机在弹丸发射线连接法兰轴线上端,进行弹丸消融云的拍摄,观察弹丸的消融过程。     

弹丸消融速率的理论模型及数值计算

建立了计算托卡马克加料中弹丸消融的物理模型,结合1维输运模型编制了1.5维弹丸消融计算机模拟代码。使用ITER-FEAT的相关参数,对半径为6mm,初速度为2000m•s^-1,从低磁场侧注入弹丸的消融速率进行了模拟计算。结果显示,弹丸消融速率先随注入深度而逐渐增大,最大消融速率约6×10²⁶s^-1,然后由于弹丸半径的减小,消融速率迅速减小,穿透深度约0.45m。这一结果与中性气体屏蔽模型(NGS)的结果一致,证明计算代码正确有效。同时,从计算结果反映出,对ITER这样的堆级托卡马克,采用常规弹丸注入方式,尽管速度高达2000m•s^-1,穿透深度也远未达到等离子体中心,因此应采取其他有效措施来提高等离子体加料效率。     

HL-1M装置高气压超声分子束加料效果

超声分子束注入作为一种新的托卡马克加料方法,已成功地开发和应用于环流器新一号(HL1M)和超导托卡马克HT7.近期开展的高气压超声分子束注入实验,在束流中发现了团簇流,其注入等离子体深度超过17cm.电子密度上升率接近于小型冰弹丸加料.多脉冲超声分子束注入形成电子密度阶梯形上升,类似于多弹丸加料效果,电子温度剖面呈中空分布.描述了在HL1M装置同一次欧姆放电等离子体中超声分子束与冰弹丸加料效果的实验比较. 关键词： 超声分子束 托卡马克 团簇 加料     

高速弹丸测速仪的研制

在等离子体物理实验中,注入弹丸的大小和速度对等离子体电子温度、密度扰动等均有影响,测量弹丸的速度有助于研究弹丸注入等离子体的深度、弹丸的消融及其对等离子体的作用。8发弹丸系统原有的测速仪是从俄罗斯引进的,其灵敏度、抗干扰能力都较差,加料实验时该测速系统根本无法正常工作。为此,必须研制一套精度高、抗干扰强、速度测量范围广（几m·s^-1-3000m·s^-1)的测速系统以满足实验的需要。     

多道HCN激光干涉仪在HL－1装置上的电子密度分布测量

本文描述了为测量ＨＬ－１装置电子密度分布而研制的多道远红外（ＦＩＲ）激光干涉仪系统及其特点。首次对装置在弹丸加料以及拉瓦尔（Ｌａｖａｌ）超声分子束注入实验条件下的等离子体电子密度时－空分布进行了观测和初步分析。同时，介绍一种处理密度相移信号的新方法。     

托卡马克超声分子束加料

中国环流器新一号（托卡马克）装置采用新的等离子体加料方法———超声分子束注入．由于粒子注入深化,形成电子密度的峰化和密度极限提高．欧姆加热等离子体的能量约束时间的线性范围增长到ｎｅ＝４×１０１９ｍ－３．实验结果表明,超声分子束注入是一种高效和有利改善约束的气体加料方法．     

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。     

HL-2A充气弹丸注入初步实验结果

介绍了充气夹心弹丸的基本结构、制作工艺和充气弹丸注入器的基本构成以及在HL-2A等离子体中注入的初步实验结果。实验中采用以聚苯乙烯为主的空心微球为载体，直径~0.76mm，壳体厚度~20μm，充满~1.5MPa的氘气的充气弹丸。实验结果表明，充气弹丸注入速度~200m•s^-1，注入深度~12cm，加料效率~60%。