托卡马克等离子体边界转动的实验研究

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1、分类号学号D201177025学校代码10487密级博士学位论文托卡马克等离子体边界转动的实验研究学位申请人：罗剑学科专业：等离子体物理指导教师：庄革教授答辩日期：2016年5月24日万方数据ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringExperimentalResearchonEdgeRotationofaTokamakPlasmaPh.D.Candidate1.1.1.1.1.：LuoJianMajor：PhysicsPl

2、asmaSupervisor：Prof.ZhuangGeHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074，P.R.ChinaMay,2016万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：

3、学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在____________年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日万方数据华中科技大学博士学位论文摘要托卡马克型磁约束核聚变作为实现受控热核聚变首选的途径之一。托卡马克等离子体的转动在对改善约束性能、抑制微观不稳定性等方面有重要作用。现阶段等离子体转动的动量源主要来自于外部动量输入，如中

4、性粒子束注入，但受限于现有技术水平，外部输入的动量将无法满足聚变反应堆的需求，因此在众多装置上发现的等离子体自发转动变得非常重要。但自发转动的产生机理仍然没有理解清楚，还需要更多的研究。本文以J-TEXT托卡马克装置为实验平台，对等离子体边界自发转动的产生和转动剖面的建立展开了相关实验研究。作为实验研究的基础，首先建立了一套边界转动诊断系统（ERD），可以测量等离子体杂质离子特征线辐射光谱的弦积分信号。由于弦积分信号无法准确反应等离子体边界环向转动速度和离子温度的分布情况，因此建立了以杂质输运方程为基础的建模分析和增加测量弦数目两种方法来推算转动速度和离子温度的径向分布。本论文最终采用增

5、加测量弦数目的方法，以满足实验对转动速度和离子温度剖面的测量要求。相比于其他测量等离子体转动的诊断方法，ERD系统为被动光谱测量，对等离子体的没有影响。并且以石英光纤为光路，方便搭建和调试，减少系统造价，也可以降低环境对诊断系统的影响。实验中，我们首先观测等离子体平衡建立过程中边界转动的形成过程，重点是观测和分析不同电流爬升率和密度爬升率分别对边界环向转动剖面有何影响。以平衡刚建立时刻的边界环向转动为比较对象，结果发现，等离子体密度爬升越快，边界等离子体达到的反电流方向转动速度越大。而在目前J-TEXT的放电参数范围内，还未发现等离子体电流爬升率对边界环向转动的明显影响。但根据此实验结果

6、，可以确定边界环向转动动量源在等离子体平衡建立中就已经存在，并对转动分布的形成起着主导作用。其次，考虑了在等离子体边界转动剖面建立过程中所涉及到的新经典理论中的纹波离子损失效应、离子轨道损失效应以及粘滞效应。我们发现新经典理论预测的I万方数据华中科技大学博士学位论文结果和实验测量结果相吻合。新经典理论的预测结果表明，对于边界环向转动产生与转动剖面建立的主要原因是纹波损失效应与离子轨道损失效应两者的竞争，纹波离子损失效应使边界环向转动速度朝反电流方向变化，并增大转动速度梯度；而离子轨道损失效应使边界环向转动朝同电流方向变化。低密度下离子轨道损失效应占主导作用，而高密度下纹波离子损失效应占主

7、导作用。最后，我们对影响J-TEXT托卡马克等离子体边界转动进行了定标研究，主要考虑了包括等离子体电流、等离子体密度、环向磁场、安全因子、磁流体动力学（MHD）行为等因素，以确定在J-TEXT上影响转动的主要因素。结果表明，增大等离子体电流、增加等离子体密度、减小安全因子、抑制MHD行为、外加负偏压都可以实现将边界环向转动朝反电流方向加速；外加扰动磁场会使边界朝同电流方向转动。J-TEXT边界环向转动的实验定标研究确认对边界本征转动