【摘 要】
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等离子体的破裂可能会对大型托卡马克装置(如ITER)造成严重损害。通过快速关断等离子体(如注入大量杂质),提高等离子体内能辐射消耗比例,可以缓解破裂带来的危害。大量杂质气体注入(Massive Gas Injection,MGI)能够很好地缓解热、电磁力负荷的危害。但是目前MGI破裂缓解实验以及逃逸电流实验大多是基于恒定等离子体电子温度条件下进行,对于电子温度升高对破裂期间杂质与等离子体相互作用的
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等离子体的破裂可能会对大型托卡马克装置(如ITER)造成严重损害。通过快速关断等离子体(如注入大量杂质),提高等离子体内能辐射消耗比例,可以缓解破裂带来的危害。大量杂质气体注入(Massive Gas Injection,MGI)能够很好地缓解热、电磁力负荷的危害。但是目前MGI破裂缓解实验以及逃逸电流实验大多是基于恒定等离子体电子温度条件下进行,对于电子温度升高对破裂期间杂质与等离子体相互作用的影响关注较少。为了加深对破裂期间杂质辐射演化以及逃逸电流产生的理解,本文依托J-TEXT装置上电子回旋共振加热(Electron Cyclotron Resonance Heating,ECRH)系统对MGI快速关断等离子体以及逃逸电流产生进行实验研究,积累研究经验,为今后ITER托卡马克模拟工作以及装置运行提供参考依据。本文以J-TEXT托卡马克装置为平台,开展了ECRH加热等离子体对MGI注入氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)等杂质对破裂缓解的影响研究,通过固定MGI阀门电压来保证杂质的注入量以及飞行速度不变,调节ECRH的注入功率,从而研究杂质的穿透、辐射过程以及混合效率。实验结果显示,在预热猝灭(Pre-Thermal Quench,Pre-TQ)阶段,ECRH的功率越大,杂质从等离子体边界到达芯部所需时间更长,杂质的冷前锋在等离子体中的穿透速率越低。在热猝灭(Thermal Quench,TQ)阶段,ECRH加热等离子体后杂质在TQ阶段的辐射功率以及电离强度会显著增加,TQ持续时间缩短为欧姆放电的50%以下。在电流猝灭(Current Quench,CQ)阶段,ECRH加热等离子体对于CQ的持续时间以及等离子体电流猝灭率没有明显的影响。此外,通过计算发现,当ECRH注入功率为400 k W时,相对于欧姆放电而言,杂质的环向辐射更为均匀,环向峰化因子降低至欧姆放电的75%以下,在80%CQ时刻点的杂质混合效率提升了大约50%。本文进一步利用ECRH系统进行了Ar MGI触发破裂产生逃逸电流的实验研究,实现了破裂期间逃逸电流平台的升高。实验发现,提高ECRH的注入功率,逃逸电流的转化率也相应增加。当ECRH功率为400 k W时,破裂前电子温度增加到约1.42 ke V,逃逸电流转化率增加接近35%。实验分析得知,ECRH加热产生的超热电子在TQ过程中碰撞率较低,同时缩短的TQ持续时间降低了超热电子被碰撞减速的几率,造成TQ期间大量热尾部逃逸电子种子产生。本文利用离轴ECE通道观察到随着ECRH注入功率提高,在TQ期间更多低能段逃逸电子产生,证实了热尾部逃逸电子增多的可靠性。在CQ期间,增多的逃逸电子种子作为雪崩倍增源,导致雪崩过程产生大量逃逸电子,从而导致逃逸电流平台的升高。
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