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物理实验

1. 高能粒子物理

托卡马克高能粒子实验物理的研究主要是上世纪70年代后开始的。当时,随着NBI加热技术的发展,人们开始研究在不同磁位型条件下高能粒子的轨道形状问题,包括通行轨道和香蕉轨道(包括同向和反向,相对电流方向来说),以及它们之间的转换。当大功率的NBI注入等离子体后,人们发现高能离子的行为比想象得要复杂的多。随着归一化 beta的值的升高,高能粒子的约束越发困难。有很多机制会造成高能粒子的损失,包括高能粒子的轨道漂移引起的损失,磁场波纹引起的损失,电磁扰动引起的损失及共振引起的损失等。

在ITER和DEMO等离子体中,由于阿尔法粒子具有相对较小的归一化回旋半径,高环向模数的不稳定性(阿尔芬本征模及动理气球模)更容易激发。目前的装置和将来的聚变反应器,阿尔法粒子的归一化回旋半径有很大的不同。这一差异造成结果就是,在未来的聚变反应器中,高环向模数的不稳定性将占主要地位。同时,在未来的聚变反应器中,阿尔法粒子的beta也将有很大提高(高能粒子的压力与背景等离子体的压力相当),并且热离子beta和等离子体压力也会更高。这样的结果就是阿尔法粒子更易激发阿尔芬不稳定性,阿尔芬本征模将会更不稳定,同时波-粒子共振区也可能重叠,进而导致反常的径向输运。因此,ITER和DEMO等离子体高能量粒子物理研究的重点问题就是在存在多模阿尔芬不稳定性时的阿尔法粒子的输运。首要问题就是要更加准确的确定这些不稳定性的线性稳定阈值,这一步也许要花费很多年。第二步就是需要建立一个非线性的计算模型来预言燃烧等离子体中可能存在的阿尔芬模及其特征,以便在实验上能够有效的控制它们。这一步极具挑战性,需要更加准确的理论模型,更高速的计算机及有效性更高的实验数据。


图1.1 α粒子和主等离子体之间相互作用所涉及的时间和空间尺度



2. 基于电磁能量转移的托卡马克等离子体破裂缓解方法研究

等离子体大破裂引发的热沉积、电磁力、逃逸电子等均会对托卡马克装置产生极大的危害,实现等离子体大破裂的抑制与缓解对于ITER及未来聚变堆建设具有极为重要的意义。潘垣院士原创性的提出了基于电磁能量转移的托卡马克等离子体破裂缓解新方法,简称电磁能量转移。该方法利用电磁耦合原理,旨在破裂瞬间将真空室内部的部分等离子体电磁能量导出真空室,减小破裂瞬间耗散在真空室内部的电磁能量总和,实现破裂缓解。现有的破裂缓解方法不能减小破裂过程耗散在真空室内部的电磁能量大小,该方法可以弥补现有缓解方法的这一缺陷,为未来聚变堆破裂缓解提供重要参考。

研究原理:电磁能量转移,通过增加一组与等离子体耦合的能量转移线圈,并在破裂过程导通该线圈,利用电磁耦合原理转移等离子体的电磁能量,并导出真空室。如图2.1所示是J-TEXT能量转移系统的示意图,能量转移线圈绕在中心柱上,并与快速开关和能量吸收部件相互串联构成能量转移回路。能量吸收部件主要用于吸收能量转移线圈导出的等离子体电磁能量,快速开关主要用于控制能量转移线圈的开断。

图2.1 等离子体破裂电磁能量转移结构原理图


在J-TEXT装置上开展了电磁能量转移的研究,开展了J-TEXT电磁能量特性及耗散过程的研究,开展了电磁能量转移原理的研究,开展了电磁能量转移缓解效果与能量转移线圈参数关系的研究,并在J-TEXT上搭建了能量转移转移系统,在J-TEXT 2015年春季和秋季实验中,开展破裂实验对电磁能量转移的效果进行了初步验证。如图2.2所示,电磁能量转移可以减小破裂过程耗散在真空室内部的电磁能量,最多减小20%。如图2.3所示,电磁能量转移可以明显减小破裂过程的环电压,并且可以明显减小破裂过程的逃逸电流大小,初步验证了基于电磁能量转移的破裂缓解方法的可行性。

图2.2 破裂过程流入真空室的电磁能量大小 图2.3 电磁能量转移缓解逃逸电流的实验波形





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