HL—1M等离子体加料密度特性

等离子体加料和密度控制是磁约束核聚变基本研究内容之一。HL－1M实验装置用8发PI系统与SMBI和GP组成联合加料系统,以它们相互配合进行了一系列放电实验,取得了丰硕的成果,本文就等离子体电子密度、改善约束特性与燃料粒子注入深度、放电装置器壁再循环的关系等结果作一介绍。     

EAST超导托卡马克装置真空室壁处理的研究

壁处理技术被广泛应用于托卡马克装置上,以降低装置本底杂质水平,改善器壁的再循环.自2008年起,EAST面向等离子体的第一壁采用全碳材料,由于特殊的石墨晶体多孔结构,具有高放气率以及对H₂O,H₂等杂质气体的高吸附性,从而使等离子体放电前期的装置真空室壁处理尤为关键.本文介绍了EAST装置真空室壁处理的实验系统,并研究了装置烘烤与不同工作气体及工作参数下的直流辉光放电清洗对杂质粒子的清除效果.实验结果表明:EAST装置真空室在经过长时问的前期壁处理后,显著地降低了真空室内壁的出气率与本底杂质浓度,这对随后进行的等离子体放电实验非常有必要.     

HL-1M装置边缘等离子体结构研究

描述HL-1M装置上几种典型放电中的边缘等离子体物理实验结果.利用马赫/朗缪尔6探针组、静电4探针组、20组三探针阵列研究了低杂波电流驱动、超声分子束注入、多发弹丸注入和中性束注入放电中的粒子约束性能、等离子体旋转和边缘静电雷诺胁强的变化对改善约束的影响.给出了雷诺胁强和极向相速度的关系.结果表明，雷诺胁强的径向变化可以自发产生托卡马克等离子体的剪切极向流.LHCD能使低密度放电的粒子约束增加1至2倍.弹丸注入后，粒子约束时间和极向旋转至少可增加1倍，而SMBI可使粒子约束时间增加约一个数量级并取得高性能等离子体. 关键词： 粒子约束 雷诺胁强 极向流剪切 马赫/朗缪尔6探针组     

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.     

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     

可见光谱分析在HT-7边界再循环研究中的应用

HT-7超导托卡马克致力于准稳态放电及相关物理的研究。目前HT-7成功获得了长脉冲运行达近64 s的高温等离子体。大量实验证明,器壁上气体再循环对托卡马克等离子体的品质十分重要。采用光学多道分析仪(OSMA)系统通过氢氘比的测量来研究边界粒子的再循环。放电过程中,边界再循环对粒子的平衡起主导地位。在放电平稳,密度可控阶段,氘(氢)再循环起主导作用,此时再循环系数R≤1;而放电的后期随着边界温度的升高,辐射总功率的加强,密度进而处于不可控状态,此时R＞1, 杂质再循环也逐渐趋于主导地位,这是引起等离子体破裂的原因之一。利用此方法还可以进一步研究壁条件对边界再循环的影响。     

HT-7托卡马克等离子体slide-away放电研究

在HT-7托卡马克上,只在等离子体放电击穿阶段充气,击穿后关闭充气阀门,让装置内真空室器壁的出气维持放电的进行,通过密度衰减实现了slide-away放电.实验分析了不同等离子体电流平台下的slide-away放电模式的密度阈值,以及相同充气量的条件下放电等离子体电流对实现slide-away放电的影响.研究了slide-away放电模式下密度提升对等离子体放电状态的影响.结果发现,slide-away放电模式下的密度提升使得H_a线辐射强度增强,等离子体中超热电子的约束性能变差,等离子体芯部的超热电子减少,高能逃逸电子厚靶轫致辐射增加. 关键词： slide-away放电 托卡马克 等离子体 逃逸电子     

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用中平面往复快速扫描6探针组观测HL-2A装置边缘等离子体的扰动特性。在一次放电中能测量到边缘等离子体参数的时空分布及其涨落量，雷诺胁强与极向流和带状流的关系，以及静电涨落驱动的粒子通量和热通量的径向变化。在多发弹丸注入(MPI)和多脉冲超声分子束注入(SMBI)条件下，研究了边缘参数的涨落和相关特性。实验结果表明：SMBI和MPI等注入手段改变了边缘的扰动特性；雷诺胁强的径向梯度可以驱动带状流，抑制湍流输运。     

EAST装置锂化壁下低杂波等离子体温度行为研究

在EAST全超导托卡马克归一化半径r/a ≤qslant 0.6区域内部, 在高功率低混杂波电流驱动辅助加热下,以及第一壁锂化处理条件下, 在低混杂波注入中期观测到电子温度剖面和离子温度剖面变平的现象. 利用X射线弯曲晶体光谱仪诊断系统,并结合其他相关诊断系统研究了在第一壁锂化条件下, 以及EAST低杂波放电位形下,电子温度剖面和离子温度的剖面行为. 研究结果表明:电子温度剖面和离子温度剖面变平的现象是由于第一壁锂化处理技术对从等离子体边界流向第一壁的粒子流产生了影响,使得边界粒子再循环模式受到抑制, 这种低再循环模式的存在引起了温度剖面的变化.同时观察到离子温度和电子温度彼此接近的现象, 这是由于随着等离子体密度的增加,电子与离子之间的碰撞行为加剧所产生的结果.     

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-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％.     

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。     

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.     

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     

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。     

Favourable scenarios established by SMBI for the realization of the ELMy H-mode at HL-2A

The ELMy H-mode plasmas realized with the supersonic molecular beam injection(SMBI) are studied in relation to the energy confinement and the heating power for the L–H transition(P_(L-H) ) in the HL-2A tokamak. A database is assembled for this study based on the ELMy H-mode discharges during the experimental campaigns in the period 2009–2013at the HL-2A tokamak. The statistical results show that the SMBI is favourable for reaching the H-mode by reducing the heating power at the L–H transition and for the H-mode performance by improving the energy confinement compared with the ordinary gas puffing(GP). The reduction of P_(L-H) is about 20% when the density is low, and the energy confinement enhancement factor of H_(H98y2)= τ_E/τ_(th,98y2) ≈ 1.5 is achieved with the SMBI. Note that in the database the density dependence of P_(L-H) is non-monotonic with the ˉne,min≈ 3×10~(19) m~(-3) at which the P_(L-H) is minimum. Most of P_(L-H) data are on the low density branch where the P_(L-H) increases with the decrease in density. The minimum of the P_(L-H) in HL-2A is comparable to the ITPA multi-machine threshold power scaling P_(thr■scal08). The physics behind the reduction of the P_(L-H) with the SMBI is also investigated in relation to the change of the density gradient at the plasma edge, the gas fuelling efficiency, and the recycling.     

Density and impurity profile behaviours in HL-2A tokamak with different gas fuelling methods

The electron density profile peaking and the impurity accumulation in the HL-2A tokamak plasma are observed when three kinds of fuelling methods are separately used at different fuelling particle locations. The density profile becomes more peaked when the line-averaged electron density approaches the Greenwald density limit n_G and, consequently, impurity accumulation is often observed. A linear increase regime in the density range n_e< 0.6n_G and a saturation regime in n_e > 0.6n_G are obtained. There is no significant difference in achieved density peaking factor f_ne between the supersonic molecular beam injection (SMBI) and gas puffing into the plasma main chamber. However, the achieved f_ne is relatively low, in particular, in the case of density below 0.7n_G, when the working gas is puffed into the divertor chamber. A discharge with a density as high as 1.2n_G, i.e. n_e = 1.2n_G, can be achieved by SMBI just after siliconization as a wall conditioning. The metallic impurities, such as iron and chromium, also increase remarkably when the impurity accumulation happens. The mechanism behind the density peaking and impurity accumulation is studied by investigating both the density peaking factor versus the effective collisionality and the radiation peaking versus density peaking.     

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.     

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.