J-TEXT裝置上低Z雜質行為實驗研究.pdf

1、托卡馬克等離子體中的雜質會增大輻射損失，影響等離子體能量平衡和粒子平衡，使等離子體溫度下降，導致等離子體的約束性能變差，甚至出現(xiàn)破裂不穩(wěn)定性。對于聚變裝置，雜質會稀釋聚變燃料，使聚變功率降低。因此有效控制托卡馬克等離子體中的雜質行為是未來聚變堆高參數(shù)穩(wěn)態(tài)運行的關鍵之一。目前人們對托卡馬克中的雜質行為還沒有一個清晰完整的認識，基于新經(jīng)典雜質輸運理論無法解釋現(xiàn)有裝置測量結果，主要是存在一個與湍流密切相關的反常輸運。一般說來，反常輸運的重點是

2、考察橫越磁力線的徑向輸運行為（在合適的條件下，可以認為垂直輸運）。但在特定條件下，平行輸運的貢獻會使雜質分布變得更加復雜。因此在雜質分布這一問題上需要同時考慮平行輸運和垂直輸運的影響。
　　本文以 J-TEXT托卡馬克裝置為平臺，實驗研究了等離子體中低 Z雜質的行為特性。為了開展雜質相關研究，發(fā)展了一系列輻射和雜質光譜診斷，具體分為：1. AXUV熱輻射診斷。它包括極向陣列和環(huán)向陣列兩部分，基于此診斷通過反演運算可得到等離子體的熱

3、輻射剖面及環(huán)向輻射的對稱性信息；2. C Ⅲ光電二極管陣列診斷。其利用濾光片選取C Ⅲ特征線（464.7nm）并通過透鏡成像原理，可提供高/低場側和限制器的C III輻射信息,用于分析C Ⅲ離子的行為；3.單色光成像診斷。可提供高/低場側特定波長的輻射剖面，主要用于分析指定雜質離子（如C V）的行為。
　　本文主要實驗研究內容如下：
　?。?）雜質輻射行為研究。首先利用 STRAHL代碼模擬輻射損失情況。結合模型計算的輸運系

4、數(shù)，以及對AXUV探測器響應度的修正，可以較好地重現(xiàn)了AXUV診斷測量結果。不同密度下的雜質輻射行為研究結果顯示：J-TEXT裝置上密度極限破裂前觀測到邊界冷卻現(xiàn)象，邊界碳雜質輻射增強，同時有邊緣非對稱多層輻射現(xiàn)象（MARFE）出現(xiàn)。這個過程中輻射損失只占輸入功率的30％。通過注雜改變輻射損失，發(fā)現(xiàn)輻射損失與密度極限存在一個閾值。不同種類的雜質通過影響邊界輻射損失改變 MARFE的行為，其原因可能是因冷卻輻射函數(shù)的改變。未發(fā)生 MARF

5、E 時，邊界區(qū)域也觀測到C III輻射非對稱現(xiàn)象，且隨著密度增加而越發(fā)明顯。實驗結果顯示它與碳源、平行輸運和垂直輸運行為密切相關。
　?。?）雜質輸運行為研究。首先，通過碳雜質診斷提供的剖面信息，利用STRAHL代碼計算得到了高/低場側碳雜質輸運系數(shù)。結果顯示高場側的擴散系數(shù)小于低場側，且隨著密度的增加，低場側擴散減小。其次，為了解釋雜質輻射的非對稱現(xiàn)象，從碳源、主離子與雜質離子摩擦力以及離心力三個方面進行實驗研究。通過

6、改變限制器的位置和主動注雜的方式來研究局部碳源對碳雜質分布非對稱的影響，結果顯示碳源對C III輻射環(huán)向非對稱有明顯影響，但對于極向非對稱無明顯影響。STRAHL模擬碳源影響的結果同實驗觀測結果一致。不同環(huán)向位置的注雜結果也證實了這個結論。除了碳源以外，主離子與雜質離子的摩擦力對C III輻射極向非對稱也起著重要作用。實驗結果顯示離子密度梯度和離子溫度梯度影響雜質極向非對稱性的大小和方向。離心力影響受限于等離子體轉動速度，所以其影響較小