漂移动理学效应对HL-2A托卡马克共振磁扰动等离子体响应的影响

边缘局域模(Edge Localized Modes,ELMs)的控制是国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)及未来磁约束聚变堆安全运行必须解决的一个关键主题。近年来,大量的理论模拟和实验研究证明,共振磁扰动(Resonant Magnetic Perturbation,RMP)是一种非常有效控制边缘局域模的技术。为了更好地理解HL-2A托卡马克中ELMs的控制,本文基于HL-2A托卡马克实验上等离子体和RMP线圈的位形,使用MARS-F/K程序,计算了高约束模式下等离子体对RMP的漂移动理学响应,并与流体模型的结果进行对比;进一步对等离子体平衡压强、环向流以及热粒子碰撞效应等关键参数进行了敏感性研究。结果表明,随着归一化比压βN的增加,流体响应模型预测的等离子体响应幅度最初相对较弱,随后在接近无壁比压极限时发生强烈变化,但这一非物理因素“跳变”在动理学响应模型中得到了修正。此外,在考虑粒子碰撞效应的动理学响应中,捕获热离子的非绝热共振贡献显著;而忽略粒子碰撞效应,捕获热电子的进动漂移共振贡献则更加显著。由此可见在高比压等离子体响应中考虑动理学效应的重要性,尤其是在考虑粒子碰撞效应时,需要考虑捕获粒子的非绝热共振贡献。

风机塔筒焊缝缺陷漏磁与磁扰动检测性能对比

风机塔筒焊缝缺陷种类多样,不仅对塔筒的结构完整性构成重大威胁,对焊接区的无损检测也提出了相当大的挑战。采用漏磁与磁扰动检测方法对风机塔筒焊缝区域进行检测并对比其检测性能,为利用两种方法综合检测塔筒焊缝缺陷提供依据。首先,研制了适于焊缝缺陷检测的漏磁与磁扰动阵列传感器,制备了4种类型的缺陷试样并构建了检测试验平台;其次,试验获得了不同缺陷的漏磁与磁扰动多通道阵列扫查结果,并采用插值成像的方法对缺陷进行了二维成像;最后,利用检测结果对漏磁与磁扰动检测的性能进行了对比分析。结果表明,漏磁检测在小宽度裂纹检测和圆孔深度表征方面优于磁扰动检测,磁扰动则对小角度裂纹和小尺寸圆孔缺陷的检出性能更好。

等离子体对共振磁扰动的流体和动理学响应的模拟研究

本文利用MARS-F/K程序和解析方法,模拟研究了‘类-DEMO’平衡下等离子体对共振磁扰动的流体响应和动理学响应.研究发现,当新的有理面经过等离子体边缘台基区时,最外层有理面处总径向扰动场b_(res(tot))^(1)和等离子体边界X点附近扰动位移ξ_(X)两个优化参数在特定的q95(95%归一化极向磁通量处的安全因子)窗口出现峰值,峰值的个数y与环向模数n呈正相关,即y≈n△q95(△q95=3.5).上下两组线圈电流相位差的最优/差值与q95之间满足线性依赖关系,可用线性函数进行拟合.线圈电流幅值的优化不改变电流相位差的最优值,但可以增大优化参数ξ_(X).线圈电流幅值的最优值依赖于环向模数n.包含背景粒子和高能粒子动理学效应的结果表明,对于低β(等离子体比压值)等离子体,动理学响应与流体响应保持一致,与有无强平行声波阻尼无关;而对于高β等离子体,在流体响应模型中需要考虑动理学效应的修正作用.考虑强平行声波阻尼(κ_(∥)=1.5)的流体响应模型能够很好地预测‘类-DEMO’平衡的等离子体响应.

EAST托卡马克上共振磁扰动对锯齿行为的影响

锯齿振荡是托卡马克装置上常见的磁流体不稳定性之一.先进实验超导托卡马克(experimental advanced superconducting Tokamak,EAST)装置放电中观察到外加共振磁扰动(resonant magnetic perturbation,RMP)会影响锯齿振荡行为.本文研究了环向模数n=2的RMP对锯齿周期的影响.通过RMP线圈相位差扫描实验发现,当RMP上下线圈(n=2)相位差ΔφUL发生变化时,扰动场的谱型发生变化,锯齿周期和崩塌幅度也随之发生明显的改变.单流体电阻磁流体力学(MARS-F)程序分析表明,在相同实验条件下,当RMP上下线圈(n=2)相位差为ΔφUL=270°时,等离子体芯部区域的响应最强,此时锯齿周期和幅度最小.锯齿行为的改变可能与RMP引起的快离子损失相关.该研究利用RMP上下线圈(n=2)实现对锯齿行为的有效调控,有利于未来EAST发展高比压放电条件下的大锯齿自动控制技术.

永磁扰动检测有限元分析及优化设计

永磁扰动检测是一种新型无损检测技术,通过永磁扰动传感器在铁磁构件表面扫查并拾取受缺陷影响下静磁场变化情况来判别缺陷尺寸大小。本文深入分析了永磁体与缺陷的扰动机制,并针对传感器设计理论不足、永磁扰动检测信号微弱等问题,提出了采用环绕式体线圈探测永磁体内产生的磁扰动及采用螺旋线圈探测永磁体与缺陷间的外磁扰动,并在此基础上探究感应线圈及永磁体的几何参数对永磁扰动检测效率的影响。通过有限元模型多参数化扫描及正交试验设计方法对永磁扰动传感器进行了优化设计,该方法能够有效地提高永磁扰动内、外感应电压的幅值。

青海地区地震磁扰动异常特征研究

以青海地区8个测点磁通门秒采样观测数据为研究对象,利用地磁垂直强度极化法结合该区域中强地震背景进行分析。基于极化背景场变化特征提取震磁异常在研究区实际应用中取得以下认识:多台站同步极化高值异常对于2个月以内青海地区5级左右及以上地震有一定映震能力,且异常具有一定信度;测点密度均匀分布情况下,震中位置基本位于极化高值区域。

HL-1M装置上MHD不稳定性磁扰动的探测和分析

给出了HL 1M装置上的Mirnov磁探针系统的布置及MHD不稳定性磁扰动模式的探测方法,探讨了实验中存在的MHD不稳定性现象。用空间傅立叶变换分析了HL 1M装置上的磁扰动模式,给出了在存在不同极向扰动模式放电条件下的各磁探针信号之间的相位比对关系结果,从而确认实验中所使用的方法的正确性和实用性。

HL-2A共振磁扰动线圈电源的方案设计与仿真

介绍了共振磁扰动(RMP)电源的电路拓扑结构,基本元器件的选取,初步控制方案以及电路相关的计算与仿真。RMP线圈将由最大4k A的直流电流或者最大频率1k Hz最大4k A的交流正弦电流供电。通过选择合理的电源结构和控制方式,以实现响应速度快和电流纹波小的要求,并使RMP线圈电源满足ELM控制的需求,尽量降低对等离子体控制的不利影响。

磁扰动和磁静时近地等离子体片中脉冲电场的分布

Ｇｅｏｔａｉｌ卫星的电场数据被用于分析近地磁尾等离子体片中电场在磁扰动（Ｄｓｔ＜－２５ｎＴ）和磁静时（Ｄｓｔ＞－２５ ｎＴ的统计分布．结果表明，伴随着地向高速离子流，在Ｘ＞－１６Ｒｅ以内区域出现强电场（高达 ５—８ ｍＶ／ｍ）．磁扰动期间强电场的幅值较磁静时大，并且出现在更靠近地球的位置．较强和较靠近地球的强电场与磁扰动时更薄的等离子体片和更接近地球的等离子体片内边界相联系．观测结果意味着磁扰动期间的亚暴可能更有效地将高能粒子注射到环电流中．这对磁暴和亚暴的关系问题的解决有重要意义．

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。

HL-1M装置上MHD不稳定性磁扰动模的传播

对在HL 1M装置放电实验中发现的宏观MHD不稳定性磁扰动模的传播现象进行了研究。通过对实验中发现的各种极向模数m值的MHD磁扰动模特征的观察,以及在不同放电条件,特别是在偏压H模放电下传播方向不同的分析,深入研究了MHD模传播与等离子体旋转的定性关系。

基于永磁扰动探头阵列的钢管端部自动探伤方法与装备

提出了一种利用永磁扰动探头阵列对钢管端部进行自动探伤的新方法。分析并给出了探头与钢管的相对运动方案,以使钢管纵、横向伤检测具有一致性。通过组建实验装置对该方法进行验证。设计了自动跟踪钢管端部跳动的永磁扰动探头阵列,开发出基于永磁扰动探头阵列的钢管端部自动探伤机,并给出了钢管端部检测过程的工艺要求。利用这种检测方法可以较大程度地减少钢管端部的检测盲区,钢管内外壁探头独立,可以区分内外伤。

托卡马克等离子体中共振磁扰动场放大效应对离子轨道特性的作用

首先,利用MARS-F程序模拟了HL-2A装置中不同电阻率、环向旋转频率和环向模数条件下等离子体对共振磁扰动(RMP)的线性响应过程,分析了不同情况下共振场放大效应对三维扰动磁场的影响;然后,利用Boris算法追踪了三维场作用下的离子轨道,并详细探究了不同扰动磁场改变离子轨道特性的物理机制.研究发现,考虑等离子体响应后的扰动磁场可增强离子轨道径向展宽,且轨道最大径向展宽随轨道上扰动磁场平均值的增大而增大;同时,离子在通过扰动磁场被强烈放大的区域时轨道径向展宽会显著增加.该物理机制可用于解释RMP缓解边界局域模实验中离子直接损失增加和等离子体径向输运增强现象.

HL-2A中环向旋转影响等离子体对共振磁扰动的响应过程

利用MARS-F代码在HL-2A装置下模拟等离子体对共振磁扰动的线性响应过程,研究了等离子体旋转频率对响应的影响.研究发现,扰动场在有理面上的屏蔽效应在旋转频率较大时随旋转增大而增强,但在旋转频率较小时电阻导致的屏蔽效果最强处较有理面的偏移会影响这一规律;扰动场在非有理面上的放大效应主要由芯部扭曲响应引起,且同时与等离子体旋转频率和电阻密切相关.

基于磁扰动状态下Q235钢应力梯度的无损表征

基于电磁学原理的铁磁性材料应力无损检测,在工程实际中具有广阔的应用前景。本文根据对增量磁导率概念新的理解,提出了一种铁磁性材料在低频交变强磁场周期磁化状态下的高频交变弱磁场扰动磁化作用方式。通过提取一个强磁场磁化周期内的平均增量磁导率,对四点弯曲装置加载Q235钢所产生的纯弯曲状态下的应力梯度及沿着深度分布的磁弹性能总量进行了磁学无损表征。通过两组不同实验参数设置下的平行实验,验证了所提出的测试方法可以有效地检测加载条件下试件内部应力梯度及沿着深度分布的磁弹性能总量。两组实验结果均具有一般性,表明该检测方法具有可行性,并且具有一定的工程实际应用价值。

EAST共振磁扰动线圈电源响应延迟分析及优化

为了提高EAST装置中共振磁扰动(RMP)线圈电源的输出电压、电流响应速度和输出特性,对共振磁扰动线圈电源的响应时间延迟进行了分析和优化处理。详细分析了对称规则采样和单极性倍频PWM调制过程所产生的时间延迟,针对该部分时间延迟提出了多次采样延时数据更新方法,对逆变电源控制器进行优化和改进。实验结果表明,采用该方法后电源输出响应时间延迟从206μs减小为70μs,可以满足EAST实验的需求。

基于永磁扰动传感器的轴心轨迹检测新方法

针对传统非接触式涡流检测(ECT)传感器检测轴心轨迹的约束及不足,提出了一种新型的基于永磁扰动(PMP)原理的轴心轨迹传感器,并对新型永磁扰动传感器原理、结构及检测方法进行了详细介绍。通过与传统涡流检测传感器的比较及永磁扰动传感器检测轴心轨迹结果的分析,发现所述永磁扰动传感器具有更高的检测可靠性及更好的操作性,其在未来具有更广阔的工程应用前景。

钻杆连接螺纹磁扰动检测方法与系统

为了满足钻杆连接螺纹高效、可靠的检测需求,针对现有检测方法与装置的不足,提出了一种钻杆连接螺纹的磁扰动检测方法。利用COMSOL软件仿真分析了永磁体几何参数以及提离高度对螺纹根部磁化状态的影响,获得了最优的永磁体参数;并与高灵敏度霍尔传感器相配合制作成检测探头,然后根据螺纹曲率变化的特点,设计了多自由度自适应的探头跟踪机构,分别设计了钻杆连接内外螺纹的检测装置,检测效率为30 s/根,最小检测深度为0.15 mm。

低频(2,1)模磁扰动下CFETR高能α粒子的损失研究

针对中国聚变工程试验堆(Chinese fusion engineering test reactor,CFETR)的正常磁剪切平衡位形,采用测试粒子模拟方法,研究了存在磁流体动力学(Magneto hydrodynamics,MHD)低频(2,1)模磁扰动条件下CFETR聚变产物高能α粒子的损失规律。模拟结果表明:在无磁扰动时,α粒子的损失率很低,但在有磁扰动时,α粒子与(2,1)模发生了强烈的相互作用,α粒子的损失率随着(2,1)模磁扰动幅值的增大而显著增大,损失的α粒子的初始位置主要集中在(2,1)模中心位置附近,初始位置分布在靠近磁轴芯部区域的α粒子没有损失,所有损失的α粒子几乎都是从等离子体赤道面以下飞出。

HL-2A中线圈电流相位差影响等离子体对共振磁扰动的响应过程

等离子体对共振磁扰动的响应是理解共振磁扰动物理的关键,本文利用MARS-F代码在HL-2A装置真实等离子体位形下模拟等离子体对共振磁扰动的线性响应过程。在HL-2A装置中共振磁扰动线圈的上下线圈电流相位差的选择只能是180°(奇宇称)和0°(偶宇称),本文对这2种相位差下的响应情况进行了详细的比较分析研究。研究发现当RMP线圈电流相位为奇宇称时,产生的响应场更强,且能引起最大X点位移,更有利于ELM的控制,是HL-2A实验中选择的最优配置;扰动场在非有理面上的放大效应主要由芯部扭曲响应引起。