HL-2A托卡马克超声分子束注入深度和加料效果研究

超声分子束注入深度与加料效率是分子束加料研究中的基本课题.在近期开展的超声分子束注入实验中，发现分子束注入深度与等离子体电子温度和密度、分子束源的气压和温度有直接关系，获得了分子束注入深度的定标律.在低温气体源(液氮冷却)的分子束注入实验中，发现分子束流中形成了团簇，其注入深度超过30 cm，分析了在低温气源分子束注入实验中的团簇现象. 关键词： 超声分子束注入 注入深度 加料效率 团簇     

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在HL-2A 装置上优化和发展了偏滤器靶板上的红外测温系统,并利用该系统分析了高约束模放电期间边缘局域模的热沉积分布特性。在高约束模式放电期间,超声分子束注入使边缘局域模所引起的偏滤器靶板上瞬间热通量峰值下降了~60%,并伴随着边缘局域模爆发频率增加了2~3 倍,而等离子体储能仅下降了~8%。分析结果表明,大幅度的丝状结构在超声分子束注入之后得到了有效抑制,沉积到偏滤器靶板上的瞬间热通量峰值也随之下降。此外,在超声分子束注入之后偏滤器室内的热辐射损失大幅度增加,从而耗散了热输运所携带的部分能量,进一步分散了沉积到偏滤器靶板上的能量,有效地保护了偏滤器靶板。     

HL-2A 装置超声分子束注入缓解偏滤器靶板上边缘局域模热通量研究

在HL-2A 装置上优化和发展了偏滤器靶板上的红外测温系统,并利用该系统分析了高约束模放电期间边缘局域模的热沉积分布特性。在高约束模式放电期间,超声分子束注入使边缘局域模所引起的偏滤器靶板上瞬间热通量峰值下降了~60%,并伴随着边缘局域模爆发频率增加了2~3 倍,而等离子体储能仅下降了~8%。分析结果表明,大幅度的丝状结构在超声分子束注入之后得到了有效抑制,沉积到偏滤器靶板上的瞬间热通量峰值也随之下降。此外,在超声分子束注入之后偏滤器室内的热辐射损失大幅度增加,从而耗散了热输运所携带的部分能量,进一步分散了沉积到偏滤器靶板上的能量,有效地保护了偏滤器靶板。     

中国环流器二号A(HL-2A)超声分子束注入最新结果

HL-2A装置电子回旋共振加热时,氘脉冲超声分子束穿越分界面,等离子体各项重要参数,包括等离子体储能、极向比压、中平面线平均密度、中心密度和温度上升,中子产额急剧增加. 超声分子束注入有可能较常规脉冲送气在台基顶部提供较强的粒子源,被认为是可供ITER替换脉冲送气的加料方法之一. HL-2A装置氢超声分子束注入的平均速度约为1.7km,与溢流(分子流)注入真空的速度测量作了比较. 关键词： 超声分子束注入 托卡马克 飞行时间法 加料     

HL-1M装置超声分子束注入等离子体穿透特性的诊断

在HL1M装置超声分子束注入实验中,利用在分子束注入口同一极向截面的上窗口处布局的一个20道PIN探测器阵列所获得的多道Hα辐射信号,并借助于Abel变换算法反演出Hα辐射强度沿大半径方向的分布随时间的演变,对超声分子束在等离子体中的穿透特性和注入速度进行了分析和计算.在气源气压大于1MPa时,观察到超声分子束中性粒子已经进入到等离子体芯部,并获得束注入速度大于1kms的实验结果 关键词： 等离子体 超声分子束 穿透特性 Hα辐射     

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％.     

用CCD相机拍摄SMB在等离子体中Hα线辐射图像

目前托卡马克有四种加料方式，分别是：（1）弹丸注入；（2）补充送气；（3）中性束注入和（4）超声分子束（SMB）注入。其中，第4种方法是核西物院率先提出的。     

超声分子束注入模型与流体输运程序的耦合

将超声分子束注入模型加入到流体输运程序ONETWO 中,为ONETWO 程序提供了重要的粒子源和电子、离子热源项。在ONETWO 程序物理模型中加入超声分子束注入模型,修改TPSMBI 程序并将其耦合到 ONETWO 程序中。运用耦合后的ONETWO 程序模拟研究了喷气法与超声分子束注入产生的源项。将超声分子束注入模型加入到ONETWO 程序中不仅可以为相关的实验分析提供一种重要的工具,也可为未来装置(如中国聚变工程实验堆)的物理设计提供重要的粒子和能量源信息。     

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.     

其它——Wendelstein 7-AS仿星器超声分子束注入实验

核工业西南物理研究院和德国马克斯-普朗克等离子体物理研究所建立了合作研究Wendelstein 7-AS(W7-AS)装置上的超声分子束注入实验。由我方提供物理思想和设计，德方提供器件和设备，于2001年5月在W7-AS装置上安置和调试了一套超声分子束注入系统，并成功地进行了实验。     

Investigation of molecular penetration depth variation with SMBI fluxes

We study the molecular penetration depth variation with the SMBI fluxes.The molecular transport process and the penetration depth during SMBI with various injection velocities and densities are simulated and compared.It is found that the penetration depth of molecules strongly depends on the radial convective transport of SMBI and it increases with the increase of the injection velocity.The penetration depth does not vary much once the SMBI injection density is larger than a critical value due to the dramatic increase of the dissociation rate on the fueling path.An effective way to improve the SMBI penetration depth has been predicted,which is SMBI with a large radial injection velocity and a lower molecule injection density than the critical density.     

HL-2A装置送气和加料的脱靶特性

HL-2A装置辐射偏滤器实验采用边缘补充送气和分子束加料等方法来提高主等离子体密度,降低边缘等离子体温度、增加辐射功率分额,获得脱靶等离子体。偏滤器室内进行主动补充送气或者注入惰性气体杂质,降低偏滤器等离子体温度,获得脱靶等离子体,并首次获得了超声分子束注入产生脱靶等离子体的实验结果。利用HL-2A装置偏滤器同一极向截面内外中性化板上安装的嵌入式探针阵列和偏滤器室安装的电动探针系统,测量了偏滤器靶板上和偏滤器室的等离子体参数及其分布,并进行了相关分析和改善约束以及偏滤器脱靶等离子体运行模式下等离子体行为的研究。     

Particle confinement and density profile behaviour on HL-1M

In this paper the density profile behaviour and the particle confinement operation regime on HL-1M have been studied under the pellet injection (PI), supersonic molecular beam injection (SMBI), gas puffing (GP) and lower hybrid current drive experimental situations. The relationships between density profile, particle confinement time and edge safe factor have been explored. The density profile, which is measured by six-channel far-infrared ray laser interferometer has been analysed by using the peaking coefficient calculation code. Changes of the outward and inward diffusion velocities before and after the peaking of the central density profile have been calculated using the global particle balance equations. The particle confinement operation regimes have been discussed. The peaking density profile can be easily obtained under the condition of efficient fuelling. In ohmic discharges, confinement time increases as the peaking density profile factor rises, and is saturated at a critical value related to the fuelling efficiency. The particle confinement time of SMBI lies between the values of GP and PI, and its value is about 3-5 times of the energy confinement time.     

Simulation of helium supersonic molecular beam injection in tokamak plasma

To study helium(He) supersonic molecular beam injection(SMBI) into H-mode tokamak plasma, a simplified multicomponent-plasma model under the assumption of quasi-neutral condition is developed and implemented in the frame of BOUT ++. The simulation results show that He species propagate inwards after He SMBI, and are deposited at the bottom of the pedestal due to intensive ionization and weak spreading speed. It is found that almost all injected helium particles strip off all the bounded electrons. He species interact intensively with background plasma along the injection path during He SMBI, making deuterium ion density profile drop at the He-deposited location and resulting in a large electron temperature decreasing, but deuterium ion temperature decreasing a little at the top of the pedestal.     

强场和弱场侧超声分子束注入对加料的影响

报道了HL-2A装置最新的实验结果,讨论并研究了超声分子束的注入位置对分子束在等离子体中的消融和穿透的影响,其中包括电离后的分子束粒子在磁场梯度作用和 E × B 漂移下的加速或减速及由此形成的冷通道效应.研究结果表明,磁场梯度和 E × B 漂移对于超声分子束的加料效果、消融和穿透有着重要的作用.强场侧注入可使电离后的电子和离子更深地进入等离子体芯部.这些研究对于更好地理解超声分子束与等离子体的相互作用和优化设计加料系统有一定作用.     

Radial transport dynamics studies of SMBI with a newly developed TPSMBI code

In tokamak plasma fueling, supersonic molecule beam injection(SMBI) with a higher fueling efficiency and a deeper penetration depth than the traditional gas puffing method has been developed and widely applied to many tokamak devices.It is crucial to study the transport dynamics of SMBI to improve its fueling efficiency, especially in the high confinement regime. A new one-dimensional(1D) code of TPSMBI has also been developed recently based on a six-field SMBI model in cylindrical coordinate. It couples plasma density and heat radial transport equations together with neutral density transport equations for both molecules and atoms and momentum radial transport equations for molecules. The dominant particle collisional interactions between plasmas and neutrals, such as molecule dissociation, atom ionization and charge-exchange effects, are included in the model. The code is verified to be correct with analytical solutions and also benchmarked well with the trans-neut module of BOUT++ code. Time-dependent radial transport dynamics and mean profile evolution are studied during SMBI with the TPSMBI code in both slab and cylindrical coordinates. Along the SMBI path, plasma density increases due to particle fuelling, while plasma temperature decreases due to heat cooling. Being different from slab coordinate, the curvature effect leads to larger front densities of molecule and atom during SMBI in cylindrical coordinate simulation.