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物理實驗

1. 高能粒子物理

托卡馬克高能粒子實驗物理的研究主要是上世紀70年代后開始的。當時,隨著NBI加熱技術的發展,人們開始研究在不同磁位型條件下高能粒子的軌道形狀問題,包括通行軌道和香蕉軌道(包括同向和反向,相對電流方向來說),以及它們之間的轉換。當大功率的NBI注入等離子體后,人們發現高能離子的行為比想象得要復雜的多。隨著歸一化 beta的值的升高,高能粒子的約束越發困難。有很多機制會造成高能粒子的損失,包括高能粒子的軌道漂移引起的損失,磁場波紋引起的損失,電磁擾動引起的損失及共振引起的損失等。

在ITER和DEMO等離子體中,由于阿爾法粒子具有相對較小的歸一化回旋半徑,高環向模數的不穩定性(阿爾芬本征模及動理氣球模)更容易激發。目前的裝置和將來的聚變反應器,阿爾法粒子的歸一化回旋半徑有很大的不同。這一差異造成結果就是,在未來的聚變反應器中,高環向模數的不穩定性將占主要地位。同時,在未來的聚變反應器中,阿爾法粒子的beta也將有很大提高(高能粒子的壓力與背景等離子體的壓力相當),并且熱離子beta和等離子體壓力也會更高。這樣的結果就是阿爾法粒子更易激發阿爾芬不穩定性,阿爾芬本征模將會更不穩定,同時波-粒子共振區也可能重疊,進而導致反常的徑向輸運。因此,ITER和DEMO等離子體高能量粒子物理研究的重點問題就是在存在多模阿爾芬不穩定性時的阿爾法粒子的輸運。首要問題就是要更加準確的確定這些不穩定性的線性穩定閾值,這一步也許要花費很多年。第二步就是需要建立一個非線性的計算模型來預言燃燒等離子體中可能存在的阿爾芬模及其特征,以便在實驗上能夠有效的控制它們。這一步極具挑戰性,需要更加準確的理論模型,更高速的計算機及有效性更高的實驗數據。


圖1.1 α粒子和主等離子體之間相互作用所涉及的時間和空間尺度



2. 基于電磁能量轉移的托卡馬克等離子體破裂緩解方法研究

等離子體大破裂引發的熱沉積、電磁力、逃逸電子等均會對托卡馬克裝置產生極大的危害,實現等離子體大破裂的抑制與緩解對于ITER及未來聚變堆建設具有極為重要的意義。潘垣院士原創性的提出了基于電磁能量轉移的托卡馬克等離子體破裂緩解新方法,簡稱電磁能量轉移。該方法利用電磁耦合原理,旨在破裂瞬間將真空室內部的部分等離子體電磁能量導出真空室,減小破裂瞬間耗散在真空室內部的電磁能量總和,實現破裂緩解?,F有的破裂緩解方法不能減小破裂過程耗散在真空室內部的電磁能量大小,該方法可以彌補現有緩解方法的這一缺陷,為未來聚變堆破裂緩解提供重要參考。

研究原理:電磁能量轉移,通過增加一組與等離子體耦合的能量轉移線圈,并在破裂過程導通該線圈,利用電磁耦合原理轉移等離子體的電磁能量,并導出真空室。如圖2.1所示是J-TEXT能量轉移系統的示意圖,能量轉移線圈繞在中心柱上,并與快速開關和能量吸收部件相互串聯構成能量轉移回路。能量吸收部件主要用于吸收能量轉移線圈導出的等離子體電磁能量,快速開關主要用于控制能量轉移線圈的開斷。

圖2.1 等離子體破裂電磁能量轉移結構原理圖


在J-TEXT裝置上開展了電磁能量轉移的研究,開展了J-TEXT電磁能量特性及耗散過程的研究,開展了電磁能量轉移原理的研究,開展了電磁能量轉移緩解效果與能量轉移線圈參數關系的研究,并在J-TEXT上搭建了能量轉移轉移系統,在J-TEXT 2015年春季和秋季實驗中,開展破裂實驗對電磁能量轉移的效果進行了初步驗證。如圖2.2所示,電磁能量轉移可以減小破裂過程耗散在真空室內部的電磁能量,最多減小20%。如圖2.3所示,電磁能量轉移可以明顯減小破裂過程的環電壓,并且可以明顯減小破裂過程的逃逸電流大小,初步驗證了基于電磁能量轉移的破裂緩解方法的可行性。

圖2.2 破裂過程流入真空室的電磁能量大小 圖2.3 電磁能量轉移緩解逃逸電流的實驗波形





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