托卡马克装置弹丸加料系统中一种新的低温制丸技术的探索

提出了一种新的低温制丸技术磁制冷技术 ,并探索其在托卡马克装置弹丸加料系统中的应用     

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—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 弹丸穿透及约束特性分析

在ＨＬ－１Ｍ装置氢弹丸注入实验中，利用位于弹丸注入口上面、同一极向截面上的窗口上布置的一个２０道ＰＩＮ探测器阵列所获得的多道Ｈａ辐射信号，借助于Ａｂｅｌ变换算法反演的出Ｈａ辐射强度径向剖面随时间的演变，确定了弹丸在不同时刻在等离子体中所处的位置，即穿透深度。分析了穿 透深度与等防子体温度和密度之间的定标关系，利用在离弹丸注入口１１５０１６７的水平窗口上布置的２２道ＰＩＮ探测器获得的信号和多道ＨＣＮ     

HL-1M装置弹丸加料等离子体中的蛇形振荡

在弹丸注入实验中，人们观测到穿透至q=1面以内的弹丸能在等离子体芯部激发出蛇形振荡。蛇形振荡是由一个局域的高密度区域在等离子体芯部旋转而反映在软X射线、密度信号上的一种振荡现象。在JET，ASDEX，Tore Supra等装置上都观测到了弹丸注入条件下的蛇形振荡现象。     

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。     

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。     

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。     

主动光幕测速系统中光信号的模拟与探测实验研究

为满足主动光幕测速系统的测试需求,在分析弹丸光信号特征的基础上设计和研制了一种弹丸光信号模拟装置。通过该模拟装置生成了在不同环境条件下的弹丸反射光信号,其中包括弹丸形状、弹丸反射系数、背景光大小、弹丸速度、电磁干扰和蚊虫侵入等。利用这些不同的光信号对主动光幕测速系统探测单元的性能进行了测试实验,获得了弹尾时刻的最佳判决方式。通过与实地靶场实验对比,进一步验证了弹丸光信号模拟装置的正确性和探测单元的有效性。     

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。     

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利用TSC程序非刚性、可变形等离子体模型的特点，对EAST装置等离子体由于发生垂直位移事件而产生破裂的过程进行了模拟，计算了halo电流和真空室应力在破裂过程中的变化情况，对不同初始条件的破裂情况进行了比较，并模拟了利用杀手弹丸注入快速熄灭等离子体的过程。     

中国环流器新一号（HL—1M）装置研制

ＨＬ－１Ｍ装置是由ＨＬ－１托卡马克改建成的，从１９９４年１０月起，已成功地投入运行。它们是一个中型圆截面托马克装置，但去掉了铜导体壳，以 便以地等 体进行高功率辅助加热，低杂波电流驱动和弹丸注入等研究。     

HL-1M弹丸云分析和安全因子初步测量

在HL－1M装置上用高速二维成像CCD相机观测了弹丸的注入和消融过程,获得了一次放电的大量高时间分辨率（曝光时间为0.1us）的多幅度多次曝光的弹丸消融云照片,并对HL－1M等离子体的q分布进行了初步测量。描述了基于消融云倾斜角观测进行q分布测量的实验布局、基本问题和结果。根据照片分析了弹丸注入效果,讨论了弹丸与等离子体相互作用的物理机制。     

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。     

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。     

多发弹丸发射系统阀门电源及可编程发射控制器的研制

多发弹丸发射系统是我院20世纪90年代从俄罗斯引进的设备，用于发射弹丸的快阀门电源属于非标产品，其备件缺乏，维修困难。为保证HL-2A装置弹丸注入实验顺利进行，根据设计要求，研制了这套弹丸快阀电源和可编程发射控制器。它们之间的连接如图1所示。     

用CCD相机观测HL—1M弹丸消融过程

利用高速ＣＣＤ相机拍摄了ＨＬ－１Ｍ等离子体中注入氢弹丸时的Ｈａ辐射照片。得到的弹丸不同形状消融云照片表明：弹丸轨迹发生弯曲和出现条纹。通过对照片的处理获得了辐射光强的空间分布、弹丸的速度与轨迹,分析了弹丸与等离子体相互作用的物理机制,为进一步在弹丸注入条件下用ＣＣＤ测量等离子体局部磁场和电流分布打下了基础。     

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。     

弹丸穿钢靶姿态变化的数值模拟

针对弹丸穿多层靶问题，采用数值模拟的方法，开展了弹丸结构参数对穿靶姿态研究。图l给出了弹丸穿靶主要姿态参数及可能的变化情况（弹丸穿靶前后速度方向变化忽略）。其中删轴偏转角速度（α=dβ/dt）。由于弹丸头部形状（如头部曲径比CRH、截卵高度比等）直接影响了弹丸在侵彻过程中的受力状态，因此也会影响着弹丸穿靶姿态。     

卵形头部弹丸侵彻混凝土的研究

 用头部曲率半径为4.0、直径100 mm、质量为25 kg的卵形弹丸对混凝土进行侵彻实验，并测试了炮膛内和侵彻过程中弹丸的加速度时程曲线。实验用混凝土靶的抗压强度为35 MPa，密度为2 450 kg/m³，有3 m×3 m×3 m和2 m×2 m×2 m两种尺寸。测试弹丸发射和侵彻过程加速度的记录系统刚性固结于弹丸内部。弹丸侵彻初速在310 m/s至632 m/s之间，弹丸的峰值过载在12 000 g到22 000 g之间。实验后将测试的侵彻深度、侵彻过程弹丸的加速度时程曲线与用Forrestal 的理论模型计算得到的结果进行了比较分析。实验结果对认识侵彻的整个过程和相关弹药的设计有重大意义。