托卡马克中磁流体不稳定性与高能量离子相互作用

在托卡马克中,磁流体不稳定性与高能量离子相互作用是一个非常重要的问题,它对未来聚变堆稳态长脉冲运行至关重要。HL-2A是我国第一个具有先进偏滤器位形的非圆截面的托卡马克核聚变实验研究装置。撕裂模是托卡马克中的一种基本的电阻磁流体不稳定性,它可以改变磁场的拓扑结构,形成输运短路,甚至会触发大破裂。高能量离子在燃烧等离子体和各种外部辅助加热过程中是不可避免会产生的。目前,撕裂模与高能量离子相互作用依然存在一些关键性问题,例如撕裂模与高能量离子相互作用的共振关系、该物理过程导致高能量离子损失的物理机理等,并且还没有完整的关于撕裂模与高能量离子共振相互作用的数值模拟工作。因此,本综述论文主要从以下三个方面展开:1)回顾撕裂模与高能量离子相互作用的研究历史;2)基于HL-2A实验,从数值模拟的角度讨论撕裂模与高能量离子共振相互作用的物理机理以及其导致高能量离子损失的物理机制;3)展望未来聚变堆中撕裂模与高能量离子相互作用的情况。     

基于遗传算法的紧凑型高温超导托卡马克磁体优化

基于遗传算法和二维轴对称磁场有限元模型对高温超导托卡马克装置磁体进行了优化设计。以超导带材使用量最少为优化的目标函数，在给定的背景场设计指标和高温超导带材在50K、不同背景场的临界电流数据下，对磁体物理参数以及运行电流进行优化，得到了托卡马克高温超导磁体在50K温区下的设计方案。     

等离子体破裂期间电流猝灭特征研究

等离子体破裂会对托卡马克装置的安全运行造成严重威胁.等离子体破裂期间电流猝灭速率与电磁负载的大小及逃逸电流平台的形成都密切相关.本文对HL-2A装置等离子体破裂进行了统计分析,统计选用等离子电流的两个衰减区间90%-10%和80%-20%.分析结果表明:HL-2A装置等离子体破裂有四种不同的电流猝灭波形,两个衰减区间最小电流猝灭时间的参数区分别为2.6 ms和2.2 ms,并且不同衰减区间下平均电流猝灭时间统计分布明显不同.     

HT-7U超导托卡马克装置极向场线圈的等效弹性常数及其残余刚度

HT－7装置的超导极向场线圈由导管，超导材料和绝缘体组合而成，具有复杂的正交各向异性的性质。本文从微观力学的观点出发，将极向场线圈整体作为一种复合材料来考虑，采用微观力学的复合律和损伤力学的细观损伤模型，求出了极向场线圈的等效弹性常数和残余刚度；并且，残余刚度的计算结果已得到了实验验证。这些材料特性已被用于有限元分析的输入数据。     

载电流结构磁弹性屈曲的矢量势方法1）

强磁体特别是超导磁体中，线圈的磁弹性屈曲已成了该类磁体设计的中心问题。著名学者Ｋ．Ｍｉｙａ提出的基于矢量势的有限元方法，是解决复杂磁体屈曲问题的有效方法，但其中一个重要的基本关系－由于线圈变形引起的电流密度矢量方向的变化。Ｋ．Ｍｉｙａ并未解决。本文提出了由于变形导致的电流矢量方向变化的普遍表达式，从而完善了计算磁弹性屈曲问题的矢量势方法，使之适用于种类复杂磁体的计算。然后，具体计算了几个托卡马克超     

HL-2M托卡马克装置低温液氦系统的初步设计

根据中国核聚变研究的发展需要,核工业西南物理研究院正在建造HL-2M托卡马克装置作为等离子体物理和受控聚变工程技术研究的实验平台。依计划,HL-2M装置将采用低温液氦系统为三台中性束低温泵、两台环形低温泵以及一套电子回旋共振加热系统提供共500W@4.5K的冷却。该低温系统由氦液化车间,氦回收纯化循环系统和低温用户的供给分配系统三部分组成,将兼顾超临界氦冷却模式和迫流冷却两种模式。由于每个用户都有特殊的工作要求,除电子回旋共振加热系统外,该系统为每个用户配置了独立的复合传输管线和低温分配阀箱,以减少用户间的互相干涉,确保低温用户安全稳定的运行。文中对此低温系统进行了分析研究并作出初步设计。     

托卡马克中局域磁扰动引起的高能量离子损失研究

基于单粒子导心运动代码ORBIT，采用测试粒子模拟方法，研究了托卡马克等离子体内部不同径向位置处局域磁场扰动对高能量离子的损失的影响。研究表明，在局域磁扰动主要分布在某磁面附近、其环向具有类似纹波场形式下，可造成一些靠近等离子体中心区域的高能量离子损失，但对靠近等离子边界的离子损失影响相对不大。这些损失的高能量离子均为捕获离子，离子的投掷角越大就越容易损失。此外，造成高能量离子最大损失率的局域场径向位置与这些损失离子的初始径向位置通常存在一定的偏移，而且这个偏移与这些离子的能量密切相关。当局域场出现在某些位置时，能量较低的离子会有一定的损失，能量较高的离子反而不会损失。     

用于超导托卡马克的复合材料绝缘子电性能研究

为保证用于超导托卡马克的复合材料绝缘子安全运行,基于有限元法对其开展了端对本体和端对端两种电极连接方式的电场分析,在此基础上进行了直流高电压-漏电流实验。结果表明,绝缘子在氦气压力0.1MPa、直流电压8 k V下的电性能满足使用要求。     

EAST快速极紫外光谱仪绝对强度的原位标定

磁约束等离子体中杂质(特别是高Z杂质)的存在将大大增强等离子体辐射功率损失，破坏等离子体的约束性能。杂质行为的定量研究首先要求对杂质测量的光谱诊断系统进行绝对强度标定，获得灵敏度响应曲线。介绍了EAST托卡马克上的快速极紫外光谱仪系统绝对强度的原位标定方法。在波长范围20～150Å内，通过对比极紫外(EUV)波段连续轫致辐射强度的计算值和测量值得到光谱仪的绝对强度标定。在此过程中，首先由(523±1) nm范围内可见连续轫致辐射强度的绝对测量值计算出有效电荷数Z_eff，进而结合电子温度和密度分布计算EUV波段连续轫致辐射强度；EUV波段连续轫致辐射强度的测量值即为不同波长处探测器的连续本底计数扣除背景噪声计数值。对于较长波段范围130～280Å，通过对比等离子体中类锂杂质离子(Fe23+，Cr21+，Ar15+)和类钠杂质离子(Mo31+，Fe15+)发出的共振谱线对(跃迁分别为1s22s 2S_1/2-1s22p 2P_{1/2, 3/2}及2p63s 2S_1/2-2p63p 2P_{1/2, 3/2})强度比的理论和实验值进行相对强度标定。其中共振谱线对强度比的理论值由辐射碰撞模型计算得到，模型中处在各个能级的离子数主要由电子碰撞激发，去激发以及辐射衰变三个过程决定。两种方法相结合，实现了光谱仪20～280Å范围的绝对强度标定。考虑轫致辐射、电子温度及电子密度的测量误差，绝对标定误差约为30%。在绝对标定的基础上，我们对杂质特征谱线强度进行绝对测量，并将测量结果与杂质输运程序结合ADAS(Atomic Data and Analysis Structure)原子数据库计算得到的模拟值进行比较，进而估算等离子体中的杂质浓度。