EAST托卡馬克穩(wěn)態(tài)氘彈丸注入觸發(fā)蛇形振蕩及L-H轉換的物理實驗研究.pdf

1、彈丸注入作為一種先進的等離子體加料技術，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。EAST裝置作為一個全超導托卡馬克裝置，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驗研究。
　　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。進一步實驗分析表明，EAST裝置上彈丸的等離子體加料效率（進入等離子體中的彈丸粒子數(shù)/單個彈丸的總粒子量）大約為30％，而高場側注入能實現(xiàn)最高的等離子體加料，在理想情況下可以達到～40％。同時也發(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，彈丸的加料效率會有所下降，粒子在等離子體中滯留時間也會下降。此外，還對H模情況下彈丸注入引起的ELM行為進行了簡要的分析，發(fā)現(xiàn)大尺

3、寸彈丸注入可能會導致等離子體約束變差，甚至從H模退回到L模。這些初步的實驗結論為EAST裝置上開展更進一步的實驗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驗研究，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，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)時間長的特點，需要結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)的蛇形振蕩的實驗研究是一種關于影響和控制等離子體芯部MHD行為的全新嘗試，對于未來相關的實驗研究具有指導意義。
　　最后還開展了關于彈丸注入觸發(fā)L-H轉換的實驗研究，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壘的建立并使等離子體提前進入H模。實驗中還發(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壘，最終實現(xiàn)H模。彈丸觸發(fā)L-H轉換實驗研究能夠幫助了解L-H轉換期間等離子體各參數(shù)變化的因果關系，對于理解等離子體L-H轉換的深層機制具有極其重要的意義。
　　通過EAST裝置上開展的彈丸注入實驗研究，充分證明了彈丸是一種先進的等離子體加料和控制手段，同時也為未來ITER裝置開展彈丸物理實驗研究提供了數(shù)據(jù)積累