2005年博士、硕士研究生毕业论文简介

先进等离子体材料表面复合优化处理技术及应用的研究,托卡马克边缘等离子体现象及线光谱轮廓的遗传算法模拟,HL-2A装置等离子体的边界识别和实时显示,高比压等离子体中电子温度梯度不稳定性的回旋动力学研究,HL-2A托卡马克偏滤器中的等离子体密度测量和分析,……[编者按]     

辅助加热下HL-2A边界层等离子体数值模拟

以二维边界等离子体流体模拟代码B2.5为核心,编制适合于具有封闭偏滤器位形特征托卡马克的边界层网格划分代码和计算后处理代码.模拟分析HL-2A托卡马克有约3MW辅助加热功率时的边界等离子体特性.结果表明,偏滤器靶板前形成了致密低温等离子体,偏滤器运行于高再循环状态.     

HL-2A托卡马克实验进展和科学创新

中国环流器二号A(HL-2A)托卡马克是中国第一个带偏滤器的大型受控核聚变研究装置.文章综述了在HL-2A托卡马克装置上的重要实验结果.自从HL-2A装置建成以来,有以下3个重要进展:实现了等离子体偏滤器位形放电;等离子体电子温度达到5500万度;实现了具有边缘局域模的高约束(H模)放电.随着HL-2A装置辅助加热能力和先进等离子体诊断等系统的发展,该装置在聚变等离子体物理的若干领域做出了以下创新性的贡献:实验验证了对聚变等离子体输运有重要影响的带状流的三维结构;进一步发展了原创的分子束加料技术,并且成功地应用于等离子体输运研究;用低频调制的电子回旋共振加热(ECRH)对撕裂模进行了有效的抑制,并使约束得到改善;观测到高能电子激发的内部扭曲模和阿尔芬模等新的物理现象.文章还简要介绍了该装置的发展计划及近期要开展的物理实验研究内容.     

HL-2A等离子体边缘极向剩余胁强的研究

首次报导了托卡马克等离子体边缘与湍流相关的极向剩余胁强剖面的测量结果。采用外中平面往复式静电探针阵列对HL-2A托卡马克边缘的极向湍流动量输运进行研究。在没有外部动量注入的欧姆放电下,剩余胁强为有限值、且其空间剖面在等离子体边缘具有明显的径向梯度,表明托卡马克等离子体边缘存在极向动量源。由动量源产生的动量主要以扩散形式向与剩余胁强相反的方向传播,最终的结果是等离子体边缘存在有限的雷诺胁强。在最后闭合磁面以内0.5~2cm区域,剩余胁强的梯度提供自发旋转的力矩,由该力矩引起的动量产生与由速度梯度引起的动量扩散共同导致了雷诺胁强出现负梯度,造成动量沉积,从而驱动极向平衡流。     

HL-2A充气弹丸注入加料的数值模拟研究

为了提高HL-2A等离子体中弹丸加料深度和加料效率,研制了新型充气弹丸注入加料方法.忽略充气弹丸非加料包层的烧蚀过程,在HL-2A托卡马克位形下,应用Trans-neut程序对沉积在径向归一化磁通ψ=0.9位置处的充气弹丸输运特性及其与本底等离子体自洽的相互作用过程进行了二维数值模拟研究,给出了加料粒子和本底等离子体剖...     

用B2程序模拟HL-2A装置附着状态等离子体

用大型边缘多流体二维等离子体输运数值模拟程序B2模拟了HL-2A装置外偏滤器以及与之相连的刮削层内的等离子体。在不同的中心密度运行区，纯氢放电的HL-2A偏滤器可以形成不同的再循环运行模式，即线性或高再循环模式。通过控制模拟刮削层与芯部等离子体交界面处的等离子体参数，可实现对HL-2A装置再循环模式的控制。     

HL-2A装置密度极限附近边缘剪切流和极向剩余胁强的实验研究

报道了HL-2A装置密度极限附近边缘剪切流和极向剩余胁强的最新实验研究结果。研究发现,等离子体密度向Greenwald密度靠近时,等离子体响应由绝热响应向流体动力学响应转变,导致湍流雷诺胁强中的非扩散项——剩余胁强降低,其径向梯度表征的等离子体自发旋转力矩显著降低。边缘极向流的湍性驱动降低进一步导致边缘E×B极向流剪切强度减弱。这些实验结果证明了湍流剩余胁强的降低是导致托卡马克密度极限附近边缘极向剪切层崩塌的关键因素。     

HL-2A等离子体的控制和边界识别

在托卡马克装置中，等离子体控制是一项重要的基础性工作，是托卡马克装置等离子体能够平衡、正常放电运行重要而基本的条件。这项工作包括等离子体电流、位置、形状、密度、电流分布、q值的控制和等离子体破裂控制等。其中电流、位置和密度的控制是圆截面等离子体的基础性工作；对于非圆截面装置，除了电流、位置和密度的控制之外，形状的识别和控制又是必不可少的基础性工作。这其中等离子体形状的识别和位置控制又是最复杂和最困难的。本论文给出了HL-2A装置等离子体电流和水平位移控制的理论模型和MATLAB仿真结果，并具体介绍了目前HL-2A装置等离子体控制系统的软、硬件组成。     

托卡马克边缘湍流中带状流的负粘滞阻尼

基于Hasegawa-Wakatani湍流模型,数值模拟了托卡马克边缘等离子体中漂移波湍流和相关的反常粒子输运。从等离子体动量守恒方程出发导出了不采用常规的布辛涅斯克近似的带状流方程,论证了大振幅密度扰动和湍性粒子流对激发带状流的贡献可等效地对应于低阶负粘滞阻尼效果。数值模拟表明,大振幅密度扰动的非线性大大增强了带状流饱和振幅,从而有效抑制了湍性粒子输运。研究结果阐明了托卡马克边缘等离子体大振幅密度扰动的非线性对驱动等离子体旋转、动量输运和带状流的重要性。     

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基于Hasegawa-Wakatani湍流模型,数值模拟了托卡马克边缘等离子体中漂移波湍流和相关的反常粒子输运.从等离子体动量守恒方程出发导出了不采用常规的布辛涅斯克近似的带状流方程,论证了大振幅密度扰动和湍性粒子流对激发带状流的贡献可等效地对应于低阶负粘滞阻尼效果.数值模拟表明,大振幅密度扰动的非线性大大增强了带状流饱和振幅,从而有效抑制了湍性粒子输运.研究结果阐明了托卡马克边缘等离子体大振幅密度扰动的非线性对驱动等离子体旋转、动量输运和带状流的重要性.     

空间傅里叶分析法识别MHD扰动模式

讨论了用空间傅里叶分析法确定托卡马克等离子体MHD磁扰动模式的方法。根据托卡马克实验的状况,对不同情况下的MHD磁扰动进行了详细的数值模拟,重点分析了该方法的系统误差,模拟结果与HL-1M装置上的实验结果进行了对比。比较结果表明,用空间傅里叶分析法识别托卡马克中的MHD扰动模式是一种可以行之有效的方法。     

HL-2A 装置的边缘参数测量

HL-2A 装置中平面边缘的等离子体特性通过磁力传动的马赫/ 雷诺协强/ 朗缪尔10 探针组进行了研究。10 探针组安装在可径向向里和向外移动, 并可绕轴旋转360^o 的传动杆上, 用于测量主等离子体边缘的温度、密度、悬浮电位、空间电位、径向和极向电场、湍流的雷诺协强、径向和极向等离子体流速及其径向分布。HL- 2A 装置的实验结果表明, 边缘等离子体扰动诱发的雷诺协强产生了边缘极向流; 雷诺协强的径向梯度驱动带状流抑制了湍流输运。     

HL-2A偏滤器运行模式的探针测量

在HL-2A装置的偏滤器位形运行模式下,用偏滤器靶板上的平面型嵌入式静电探针阵列测量了同一环截面的内外和上下四个中性化板上的电子温度、密度、悬浮电位分布。偏滤器运行模式下的边缘电子温度高于孔栏运行模式下的边缘的电子温度。比较了内外靶板之间的温度不对称性。给出了由18个米尔诺夫线圈信号重建获得的磁分界面,并用强磁场快速电离规测量了偏滤器室的中性气体压强变化。测量结果表明,在偏滤器运行模式下,主真空室中边缘粒子再循环降低,杂质通量水平下降。     

Analyses of edge plasma characteristics in HL-2A

The edge plasma characteristics are studied by both a movable array of Mach/Reynolds stress/Langmuir 10-probes in the boundary region and the fixed flush probe arrays on the 4 divertor neutralization plates at the same toroidal cross-section in the HL-2A tokamak. The dependence of the Reynolds stress on poloidal flow in the edge plasma is analysed. The result indicates that the sheared poloidal flow in tokamak plasma can be induced by the radial gradient of Reynolds stress. In the divertor experiments of HL-2A, the profiles of the electron temperature, density and floating potential on divertor plates are measured by the flush probe arrays. The edge electron temperature in divertor configuration is higher than that in limiter configuration. The temperature asymmetry between outer and inner target plates is observed. The result of magnetic surface reconstructed from 18 Mirnov coils signals is presented. Both the particle recycling and the impurity flux in the bulk plasma during divertor discharges are discussed. Neutral gas pressure in divertor chamber, measured by fast ionization gauge during divertor discharge, is given.     

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在HL-2A装置孔栏位形放电的等离子体实验中,电子回旋辅助加热期间观察到了等离子体约束改善的现象,并对等离子体从低约束模式(L模)向约束改善模式转换时的等离子体线平均电子密度、等离子体储能、分界面内辐射功率、能量约束时间、Hα辐射等进行了研究。同时,分析了电子密度和等离子体辐射功率的空间分布随时间的演化。对改善约束的相关功率(辅助加热、欧姆加热功率和损失功率)进行了分析,并研究了等离子体约束改善转换时的边界净输入功率(阈值)与电子线平均密度和环向磁场的关系。     

HL-2A装置的约束改善和边界净输入功率分析

在HL-2A装置孔栏位形放电的等离子体实验中,电子回旋辅助加热期间观察到了等离子体约束改善的现象,并对等离子体从低约束模式(L模)向约束改善模式转换时的等离子体线平均电子密度、等离子体储能、分界面内辐射功率、能量约束时间、H_α辐射等进行了研究。同时,分析了电子密度和等离子体辐射功率的空间分布随时间的演化。对改善约束的相关功率(辅助加热、欧姆加热功率和损失功率)进行了分析,并研究了等离子体约束改善转换时的边界净输入功率(阈值)与电子线平均密度和环向磁场的关系。     

Observation of Fishbone-Like Instabilities Excited by Energetic Electrons on the HL-2A Tokamak

Strong burst of an internal kink mode is observed on the HL-2A tokamak. Features of the fishbone-like mode are presented. The fishbone-like instabihties can be driven during electron cyclotron resonance heating （ECRH） and can be excited on the high field side （HFS） by ECRH. It is found for the first time that the modes also present themselves on the low field side （LFS） during ECRH. Experiments show that the energetic electrons with energy of 35-70 keV play a dominant role in the excitation mechanism, and the experimental results are also consistent with our calculation ones.     

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。     

Change of zonal flow spectra in the JIPP T-IIU tokamak plasmas

When Ohmically heated low-density plasmas are additionally heated by higher-harmonics ion-cyclotron-range-of frequency heating, heated by neutral beam injection, or strongly gas puffed, the intensity of zonal flows in the geodesic acoustic mode frequency range in the tokamak core plasma decreases sharply and that of low-frequency zonal flow grows drastically. This is accompanied by a damping of the drift wave propagating in the electron diamagnetic drift direction, turbulence by trapped electron mode (TEM), and the increase of the mode propagating to ion diamagnetic drift direction (ITG). In the half-radius region, TEM and high-frequency zonal flows remain intense in both OH and heated phases. ITG and low-frequency zonal flows grow in heated plasmas, suggesting a strong coupling between ITG and low-frequency zonal flow.