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等离子体垂直振荡缓解边缘局域模实验观测

在HL-2A装置实验中,通过对水平场加入方波扰动,实现了等离子体垂直运动。当等离子体向上垂直运动时,观察到了边缘局域模(ELM)缓解现象。研究发现,等离子体向上运动过程中边缘不断形成新的闭合磁面,导致等离子体体积膨胀,进而使台基宽度增加。此外,ELM缓解期间杂质和工作气体再循环有所增加。等离子体向上运动过程中体积膨胀、工作气体再循环及杂质增加可能是导致ELM缓解的主要物理因素。该实验可为未来聚变实验装置ELM的控制提供一些参考。

边缘局域模热流冲击下偏滤器铜夹层疲劳行为的数值模拟

采用有限元方法对偏滤器单块铜夹层在高热通量(HHF)和边缘局域模(ELMs)叠加载荷条件下的热力响应和热疲劳行为展开了细致的数值模拟,结果表明:(1)ELMs瞬态热冲击引起的铜夹层损伤将与HHF载荷引起的损伤相耦合;(2)在HHF和ELMs叠加载荷作用下,夹层的疲劳寿命不断下降,下降的幅度随着ELMs峰值和时均热流密度的增加而非线性增大;(3)夹层疲劳寿命的缩短对ELMs峰值热流密度和频率更为敏感。

ITER边缘局域模线圈研制焊接形变测量研究

针对ITER边缘局域模(ELM)线圈在研制和焊接过程中的焊接形变测量问题,提出了一种基于激光扫描和逆向建模技术的线圈焊接形变量检测方法。实验表明,该方法对曲面的检测精度可以优于0.1mm,有效地解决了焊接过程中的焊接形变定量检测难题。在ITER ELM线圈焊接工艺改进和评定中,用该方法完成了焊接过程中线圈和工装的形变量的测量,为焊接工艺评估提供了可靠的定量数据。

HL-2A托卡马克上的边缘局域模特性初步研究

高约束模式(H模)下自发产生的边缘局域模(ELM),虽然利于控制等离子体密度和排出杂质粒子从而实现H模放电的稳态运行,但是ELM爆发携带的大量粒子和能量会对装置的第一壁材料造成很大的损坏,所以在下一代聚变装置上使用之前很多装置已经开始了对ELM的研究.在HL-2A装置上观察到了不同的ELM,扰动幅度小的ELM引起的等离子体储能损失小于3%,ELM之间的时间间隔约为3 ms,表现出Ⅲ型ELM的特征;扰动幅度较大的ELM的爆发对等离子体电流、等离子体密度及储能都有很明显的扰动,对等离子体储能的扰动大于10%,ELM爆发的频率随通过等离子体磁分界面的净加热功率的增加而增加,表现出明显的Ⅰ型ELM的特征.ELM先兆有不对称性,在弱场侧磁探针信号能观测到,但强场侧却观测不到;ELM先兆的频率约为45 kHz,观测到的最长的先兆先于ELM前约10ms出现.

低杂波注入对剥离气球模的作用

基于BOUT++代码研究了托卡马克高约束模等离子体中低杂波(LHW)注入对边缘台基区剥离气球模(P-B模)线性和非线性特性的影响.模拟中分别考虑了LHW驱动的常规主等离子体电流和刮削层螺旋电流丝(HCF)产生三维扰动磁场对P-B模的作用.线性结果表明,LHW驱动的主等离子体电流通过降低平衡的归一化压强梯度和磁剪切,使得线性环向模谱整体向高模数和低增长率的方向移动.非线性模拟表明,由于线性模谱的展宽,LHW驱动的主等离子体电流对P-B模不同模式具有整体的抑制效果,可以降低边缘局域模(ELM)造成的台基能量损失;LHW驱动HCF产生的三维扰动磁场可以通过增强不同模式之间的耦合,促进主模之外的其他模式增长来降低ELM造成的能量损失.研究发现,HCF产生的三维扰动磁场促进增长的P-B模式集中在较高模数,当P-B模的主导模式远离此模数区间,ELM能量损失降低更明显.研究结果有助于深入理解LHW控制ELM实验中的物理机制.

基于深度学习的HL-2A装置ELM实时控制系统的研制

利用HL-2A装置已开发的基于深度学习的边缘局域模(ELM)识别算法和超声分子束注入(SMBI)等ELM缓解设备组成了一个ELM实时识别和控制系统。该系统实时采集相关的输入数据,通过神经网络计算分析,输出识别信号,当检测到存在连续ELM时,触发SMBI以缓解ELM。在HL-2A装置放电实验期间对ELM实时控制系统进行了测试,识别效果明显,在1ms控制周期中,达到了ELM的实时缓解与控制。

托卡马克中旋转刹车对等离子体响应的影响

根据ASDEX-Upgrade托卡马克装置31131放电的试验平衡,构建一组在台基区附近具有不同刹车位置的等离子体旋转剖面。采用线性等离子体响应模型并利用MARS-F程序进行计算,研究刹车点位置对等离子体响应的影响,以期为大型托卡马克装置利用共振扰动场控制边缘局域模提供理论指导。模拟结果表明,当等离子体旋转的刹车点经过有理面时,由于有理面上存在磁岛链,等离子体对共振磁扰动场的屏蔽作用降低,最靠近等离子体边界的有理面上的总径向扰动磁感应强度的共振分量以及等离子体分形面上X点附近的最大法向扰动位移值发生跃变,即等离子体响应发生跃变,粒子和能量的径向输运增强。

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。

托卡马克高约束模边缘等离子体不稳定性研究

托卡马克高约束模运行可大幅提高磁约束核聚变等离子体约束品质,该模式下的等离子体不稳定性研究对于控制约束和保护装置有重要意义。本文主要介绍了高约束模及其边缘等离子体不稳定性的研究概况,并重点介绍了中国环流器二号A托卡马克装置上关于高约束模转换、边缘局域模特征和控制方法、台基区不稳定性和台基饱和机制等方面的研究进展。研究结果表明,实验上有望通过粒子和射频波注入等外部激励的方法,影响台基区等离子体湍流,进行控制台基动力学演化以及ELM,实现既保持高约束又降低高热负荷的等离子体稳态运行。

托卡马克装置中等离子体环向旋转对三维响应场的影响

本文利用MARS-F程序,数值研究了HL-2M托卡马克装置高比压等离子体中,环向旋转对外加共振磁扰动场的响应特性的影响.研究发现,等离子体响应显著改变共振磁扰动的谱分布,并影响等离子体内部共振磁扰动场与共振磁扰动线圈电流相位差的依赖关系,从而改变有理面处径向扰动场的幅值.当边界旋转频率较小时,在最外有理面处,等离子体响应对外加共振磁扰动场有明显的放大效应.通常,边缘局域模的控制效果依赖于最外有理面处共振磁扰动场的幅度,因此可通过控制旋转剖面实现对共振磁扰动场的调控,进而优化边缘局域模的控制方案.

预测HL-2A托卡马克台基结构的MHD稳定性数值研究

基于HL-2A实验参数,利用TOQ程序构建了具有不同台基结构的平衡,在BOUT++三场模块下对台基磁流体力学(magnetohydrodynamics, MHD)稳定性进行数值模拟研究.线性模拟表明,减小台基高度、增大台基宽度、减小台基电流能够提高台基MHD稳定性,利用色散关系理论,对上述现象进行解释.在MHD稳定性的前提下,预测了不同台基宽度对应的最高台基高度,对数据进行拟合,得到可以预测临界台基高度的公式,并在此基础上结合动理学气球模(kinetic ballooning mode, KBM)理论,同时预测了台基高度和宽度.本文也研究了台基结构对MHD不稳定模式的影响,线性模拟表明,台基高度能够微弱影响不稳定模式的径向模展宽;非线性模拟表明,不稳定模式的前期增长主要受单一主导模的影响,模式增长到一定大小会发生台基坍塌,爆发边缘局域模(edge localized mode, ELM), ELM尺寸的演化与主导模幅值的演化同步,总体来说具有较大线性增长率的平衡在非线性模拟中具有更大的ELM尺寸和更广范围的台基坍塌.

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。

托卡马克高约束运行模式和磁约束受控核聚变

磁约束受控核聚变是最终解决人类能源问题的有希望的途径之一.托卡马克的高约束运行模式可以大大降低下一代磁约束聚变实验装置和将来的聚变示范反应堆的规模和造价.文章简要介绍了托卡马克高约束模式的特征,实现条件及亟待研究解决的科学技术问题,包括触发高约束模式的物理机理,功率阈值与等离子体参数的关系等,以及在高约束运行模式下观察到的边缘局域模的驱动机制、控制或缓解技术等.