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     

超声分子束在HL-1M托卡马克等离子体中的消融和穿透

讨论并研究了超声分子束在托卡马克等离子体中的消融和穿透问题，其中包括了分子束的绝热膨胀，团簇的形成和解离，束的静电屏蔽效应和冷通道效应.研究结果表明，在考虑了这些效应以后数值得到的结果与实验结果相近.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. 关键词： 超声分子束 加料 托卡马克等离子体 消融和穿透     

低温与室温氢团簇流注入HL-2A装置加料效果比较

HL-2A装置超声分子束注入系统和带有低温冷阱的分子束阀门结构如图1所示。用于产生氢团簇的阀门是由美国通用阀门公司的产品（General valve series99），该阀门的喷嘴直径为0．2mm，阀门出口至边缘等离子体的距离为1．28m，低温冷阱灌人液氮冷却阀体和工作气体。本实验氢团簇是在气体射流基础上建立的，一定压力的真实气体通过小孔进入真空室绝热膨胀，导致运动气体显著冷却，原子或分子之间的相互作用力在低温状态下变弱，一个可能的结果是形成团簇。团簇的形成主要决定于气体的温度和压力，还有喷嘴的形状和尺寸，范得瓦尔斯力或原子键的强度等。目前尚无严格的理论预言团簇如何由气体射流自由膨胀而成。但是，还是有一个经验定标的参数T，称为哈竞那（Hagena）参数，用于描述团簇的形成。     

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     

补充加料过程中逃逸电子的雪崩现象

在靶丸注入和超声分子束注入等补充加料期间，虽然等离子体密度骤然增加，但用五通道碘化汞探测器阵列及碘化钠探测器在此期间均测到很强的X射线辐射，且射线峰爆发时间与靶丸注入及超声分子束注入时间对应得相当好，用二次电子发射形成雪崩型逃逸电子理论解释了实验测量结果。     

用于超声分子束束流特性测试的纹影系统研制及应用

超声分子束注入加料技术是用于磁约束聚变等离子体燃料补充的方法之一.为优化超声分子束注入束流特性,提升超声分子束注入加料效率以及深入研究分子束与等离子体相互作用,研制了用于超声分子束束流特性测试的诊断系统并开展了应用测试.基于超声分子束注入束流具有透明、超高速等特点,该诊断系统主要利用纹影法配合高速相机进行束流特性测量,其中纹影系统设计为"Z"字型反射式.该系统应用在超声分子束束流测试平台上,测试了分子束束流基本特征.为验证系统的有效性,使用不同形状(圆孔及锥形一体式)喷嘴在大气和真空条件下开展了一系列测试,分别获得了二氧化碳气体及氘气在不同条件下的束流轮廓.该系统为超声分子束束流优化提供了直接测试手段.     

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.     

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。     

HL-1M装置超声分子束流注入过程中的团簇现象

在ＨＬ－１Ｍ装置上最近改进后的超声分子束流加料实验中,发现边缘等离子体的Ｈａ线辐射信号沿大环方向同有序变化。在超声分子束注入口附近区域,Ｈａ信号为长方形正脉冲,类似于分子束注入脉冲,而在远离注入口区域的边缘Ｈａ信号为负尖脉冲。在注入口附近区域,用静电探针测得的径向电子温度和密度在超声分子束注入期间分别下降和上升了一个数量级。ＣＣＤ相机拍摄分子束与等离子体相互作用产生的Ｈａ线辐射强度分布等实验结果表     

分子束注入期间的冷脉冲传播现象

分子束注入（MBI）是一种新的托卡马克加料方法，其已成功地在HL-1M装置上开发，并应用于HL-2A装置。分子束注入在改善等离子体约束性能方面具有很多优点，如形成密度峰化，提高能量约束时间等。在过去的分子束注入实验中，发现了一些很有物理意义的现象。但是到目前为止，分子束注入的机制还不是很清楚。     

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.     

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。     

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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。     

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％.     

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.     

The first results of divertor discharge and supersonic molecular beam injection on the HL-2A tokamak

HL-2A tokamak is the first tokamak with divertors in China. The plasma boundary and the position of the striking point on the target plates of the HL-2A closed divertor were simulated by the current filament code and they were in agreement with the diagnostic results in the divertor. Supersonic molecular beam injection (SMBI) system was first installed and tested on the HL-2A tokamak in 2004. In the present experiment low pressure SMBI fuelling on the HL-2A closed divertor was carried out. The experimental results indicate that the divertor was operated in the `linear regime' and during the period of SMB pulse injection into the HL-2A plasma the power density convected at the target plate surfaces was 0.4 times of that before or after the beam injection. It is a useful fuelling method for decreasing the heat load on the neutralizer plates of the divertor.     

Simulations of fast component and slow component of SMBI on HL-2A tokamak

It is very important to improve the penetration depth and fueling efficiency of supersonic molecular beam injection(SMBI) especially for the next generation fusion devices such as ITER. Two components, a fast component(FC) and a slow component(SC), have been observed in the HL-2A SMBI experiments for several years, and the FC can penetrate much more deeply than the common SMBIs which draws a great deal of attention for a better fueling method. It is the first time to the FC and SC of SMBI have been simulated and interpreted in theory and simulation in this paper with the trans-neut module of the BOUT++ code. The simulation results of the FC and SC are clear and distinguishable in the same way as the observation in experiment. For the major mechanism of the FC and SC, it is found that although the difference in the injection velocity has some effect on the penetration depth difference between the FC and SC, it is mainly caused by the self-blocking effect of the first ionized SMB. We also discuss the influence of the initial plasma density on the FC and SC,and the variation of the SC penetration depth with its injection velocity.     

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.