EAST托卡馬克穩(wěn)態(tài)氘彈丸注入觸發(fā)蛇形振蕩及L-H轉(zhuǎn)換的物理實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、彈丸注入作為一種先進(jìn)的等離子體加料技術(shù)，已經(jīng)被未來聚變裝置ITER選定為主要的加料手段。彈丸注入的作用不僅僅局限于簡單的等離子體加料，合理地利用彈丸注入甚至可以控制等離子體MHD行為和輸運(yùn)。EAST裝置作為一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置，發(fā)展了一套穩(wěn)態(tài)10Hz彈丸注入系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)開展了一系列彈丸注入加料及等離子體控制的實(shí)驗(yàn)研究。
　　本論文首先針對EAST裝置上彈丸注入對等離子體基本行為的影響展開了研究，發(fā)現(xiàn)彈丸注入可以引起等離子體

2、密度峰化和儲(chǔ)能的上升，證明了彈丸是一種優(yōu)秀的等離子體加料手段。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析表明，EAST裝置上彈丸的等離子體加料效率（進(jìn)入等離子體中的彈丸粒子數(shù)/單個(gè)彈丸的總粒子量）大約為30％，而高場側(cè)注入能實(shí)現(xiàn)最高的等離子體加料，在理想情況下可以達(dá)到～40％。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)隨著輔助加熱功率的升高，等離子體徑向漂移作用變強(qiáng)，彈丸的加料效率會(huì)有所下降，粒子在等離子體中滯留時(shí)間也會(huì)下降。此外，還對H模情況下彈丸注入引起的ELM行為進(jìn)行了簡要的分析，發(fā)現(xiàn)大尺

3、寸彈丸注入可能會(huì)導(dǎo)致等離子體約束變差，甚至從H模退回到L模。這些初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)論為EAST裝置上開展更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究提供了參考和數(shù)據(jù)積累。
　　而后針對彈丸注入對等離子體芯部MHD行為影響開展了深入的實(shí)驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)在歐姆加熱條件下彈丸穿越等離子體q=1面可以觸發(fā)強(qiáng)烈的芯部MHD行為——蛇形振蕩現(xiàn)象。彈丸觸發(fā)蛇形振蕩的基本原理是彈丸在q=1面附近引入很大的密度和溫度擾動(dòng)，幫助局域范圍內(nèi)形成磁島，并最終發(fā)展成為蛇形振蕩。EAST觀

4、察到蛇形振蕩現(xiàn)象具有影響范圍廣，持續(xù)時(shí)間長的特點(diǎn)，需要結(jié)合阻尼撕裂模和分支螺旋平衡狀態(tài)理論才能合理解釋。彈丸觸發(fā)的蛇形振蕩的實(shí)驗(yàn)研究是一種關(guān)于影響和控制等離子體芯部MHD行為的全新嘗試，對于未來相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究具有指導(dǎo)意義。
　　最后還開展了關(guān)于彈丸注入觸發(fā)L-H轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)通過邊界彈丸的注入可以幫助等離子體邊界輸運(yùn)壘的建立并使等離子體提前進(jìn)入H模。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)EAST裝置上的彈丸注入能夠有效降低等離子體L-H轉(zhuǎn)換閾值功

5、率10％，且通過估算邊界徑向電場的方式，證明了彈丸消融引起了等離子體邊界徑向電場剪切的增大，從而抑制了湍流并建立其邊界輸運(yùn)壘，最終實(shí)現(xiàn)H模。彈丸觸發(fā)L-H轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)研究能夠幫助了解L-H轉(zhuǎn)換期間等離子體各參數(shù)變化的因果關(guān)系，對于理解等離子體L-H轉(zhuǎn)換的深層機(jī)制具有極其重要的意義。
　　通過EAST裝置上開展的彈丸注入實(shí)驗(yàn)研究，充分證明了彈丸是一種先進(jìn)的等離子體加料和控制手段，同時(shí)也為未來ITER裝置開展彈丸物理實(shí)驗(yàn)研究提供了數(shù)據(jù)積累