（等离子体物理专业论文）稳态环的电源和等离子体激发系统的改造.pdf

摘要 本文的工作是在k t 5 d 磁约束环装置上完成的，主要分装置改造 和稳态实验两大部分。 第一部分是实验装置的改造部分，参与了把科大k t 一5 c 托卡马克 改造成为既可以进行脉冲放电，又可以进行稳态放电的k t 一5 d 双功能 环的工作。首先是对托卡马克电源系统的改造，使得脉冲放电电源和 稳态放电电源单独放电时相互隔离不受影响，又能实现这两种放电模 式的相互切换。其次是建立了两套用于稳态放电情况下等离子体激发 的e c r 微波系统，一套在水平方向，另一套在垂直方向，两套系统 可以独立运行或者联合运行，丰富了等离子体激发手段。 第二部分是稳态放电试验部分，利用静电探针和高速相机，研究 了在垂直微波注入和水平微波与垂直微波联合注入情况下的等离子 体性质，并与陆荣华在水平微波注入情况下的结果作了比较。发现放 电状态强烈依赖于磁场、气压等外界条件，从图像和密度径向分布上 看，主要存在三种强吸收区：e c 共振层，u h 共振层，外边界区。当 其他放电条件相同的情况下，两套微波系统联合注入得到的等离子体 参数有明显的提高。 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa b o u tt h ew o r k so nt h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t s ，d e v i c e s u p g r a d i n ga n ds t e a d y s t a t ee x p e r i m e n t s ，i nt h ek t 5 dt o r o i d a ld e v i c e t h ef i r s tp a r ti sd e v i c e u p g r a d i n go fr e c o n s t r u c t i n gt h ek t 5 c t o k a m a kd e v i c et ok t 5 dd o u b l ef u n c t i o n a lm a g n e t i z e dt o m sw h i c hc a l l w o r ka sat o k a m a ko ra l ls m t a tf i r s t ，w er e b u i l tt h ei m p u l s e d i s c h a r g i n g a n ds t e a d y s t a t e d i s c h a r g i n gp o w e rs u p p l i e s s ot h a t t h e y c a nw o r k i n d e p e n d e n t l ya n di t i s c o n v e n i e n tt or e a l i z et h es h i f to ft h et w om o d e s s e c o n d l y , w es e tu pt w os e t so fe c r ( e l e c t r o nc y c l o t r o nr e s o n a n c e ) s y s t e m st og e n e r a t ea n ds u s t a i ns t e a d y - s t a t ep l a s m a o n ei sh o r i z o n t a l a l o n gt h er a d i u s i nt h ep l a s m ac r o s ss e c t i o n ，a n dt h eo t h e ri sv e r t i c a l t h r o u g h t h et o pw i n d o wo ft h ed e v i c e t h et w os y s t e m sc a nw o r k i n d e p e n d e n t l y o rt o g e t h e r t h es e c o n dp a r ti s e x p e r i m e n t so fs t e a d y s t a t ee c rd i s c h a r g e ， s t e a d y s t a t ep l a s m a sg e n e r a t e db y e c rw a v e ( v e r t i c a la n dt h e c o m b i n a t i o no fh o r i z o n t a l & v e r t i c a l 、i nt h ek t 5 d m a g n e t i z e dt o r u sw e r e s t u d i e du s i n gaf a s th i g h - r e s o l u t i o nc a m e r aa n dl a n g m u i rp r o b e s t h e r e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t hl ur o n g h h u a sw o r ku n d e rt h ec o n d i t i o no f h o r i z o n t a le c rw a v e w es t u d yt h ee c r d i s c h a r g ea td i f f e r e n tc o n d i t i o n s ， a n df i n dt h a tt h ea s p e c to fp l a s m ai ss e n s i t i v et ot h ee n v i r o n m e n ts u c ha s m a g n e t i cf i l e da n dg a sp r e s s u r e 。t h ei m a g e sf r o mt h ec a m e r aa n dt h ed a t a f r o mt h ep r o b e ss h o wt h a tt h e r ea r et h r e ep o s i t i o n sw h e r ee n e r g yd e p o s i t s ： e cl a y e r , u hl a y e r , a n dt h eo u t e re d g el a y e r w h e nt h eo t h e rc o n d i t i o n s a r et h es a m e ，t h ep a r a m e t e r so ft h ep l a s m ag e n e r a t e db yt w oe c r s y s t e m sa r eo b v i o u s l yh i g h e rt h a nb yo n e 致谢 值此沦义完成之际，首先要感谢我的导师闻一之教授。没有他的 辛劳，就不会有今天的论文。他花费了大量的时间和精力对我的论文 工作进行丫指导，从论文的选题到实际的实验工作，论文工作所取得 的每一步进步都饱含着他的心血和汗水。闻老师活跃的思维，严谨的 作风及渊晦的矢u 识都令我心折不已。在感谢他对我的论文所提供的大 量无私的指导、支持和帮助的同时，我更要感谢他言传身教予我的许 多优秀品质，使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。在攻读学 位的过程中，无沦是在学习工作上还是在日常生活中，他都给了我无 微不至的火怀。 感谢专业的各位老师对我的关心、照顾和帮助，您们的鼓励，批 评，期望，劝诚部足我前进的动力和修正方向的航标。 感谢潘阁e 博士，王之江博士，陆荣华博士在具体实验操作上指 导，他们也为我的工作打下了良好的基础。感谢余羿博士多年来的密 切合作，他的勤勉和热情总是能够鼓励我完成一个个目标，和他在诸 多问题上的讨论也使我受益非浅。感谢王俊博士在实验仪器上提供的 帮助。感谫 许敏硕士、孙翔硕士在相机拍摄工作中付出的劳动，感谢 胡伶英硕士、徐明博士、肖德龙博士的帮助。感谢所有实验室前辈师 兄的努力，没有他们的积累，论文的完成是不可想象的。 感谢家人对我的坚定不移的支持，没有他们，我的一切都没有意 义。 第一章引言 能源是世界人类社会经济发展的重要物质基础，是生产力发展的 主要动力源泉。从人类社会发展历史来看，每当一个新的能源被广泛 的利用，世界经济就会有一个飞跃型的发展。人类对能源的开发利用 大概经历了四个历史时期：古代柴草时期，新石器时代晚期的煤炭时 期，十九世纪中叶的石油时期及始于上世纪中叶的新能源时期。从能 源的使用上来分，可以分为常规能源和新能源两类。技术上比较成熟、 使用较普遍的一类如煤炭、石油等被称为常规能源，近代开发利用或 正在开发的称为新能源，比如水力能，太阳能、核能以及地热能等。 过去的几个世纪，人们使用的主要是化石能源，就是煤、石油和 天然气。而这三种能源都是由古时候的浮游生物和古植物动物的经过 地质运动所形成的，属于不可再生的能源。据1 9 9 7 世界能源统计 评论统计，至1 9 9 6 年底，世界煤炭探明的可采储量为1 0 3 万亿吨， 储采比为2 2 4 年，其中，中国在美国之后，储量达1 1 4 5 亿吨，居世 界第二位，但由于我们开采量居世界首位，因此，我国煤炭的储采比 最短，仅8 5 年：另据美国油气杂志截至2 0 0 2 年1 月1 日统计， 全球石油估算探明储量为1 4 1 3 亿吨，平均储采比为4 0 年，而中国石 油估算储量为3 3 亿吨，位居世界第l l 位，但储采比仅为2 0 年；据 统计，2 0 0 0 年世界天然气探明总储量1 5 0 万亿立方米，储采比为6 1 年，而中国储量1 3 7 万亿立方米居世界第1 9 位，储采比为4 9 年。 这些统计数字表明，我们所能利用的常规能源很快就会耗尽，特别是 人口为世界第一大国的中国，将面临着最为严峻的问题。而解决能源 1 问题需要从两个方面入手，一是节约现有的能源使用，从粗旷型社会 向集约型社会转变，合理的使用现有的常规能源：另外就是加快对新 能源的研究和推广利用。这里所说的新能源包括太阳能、风能以及核 能等。这些新能源都有着各自的优点，而核能由于它具有取之不尽用 之不竭的特点而被誉为2 l 世纪最“长寿”的能源。 核能的利用又有核裂变和核聚变两种方式。裂变是指将重核分成 几个轻核的原子过程，具体过程为中子轰击铀原子核，铀原子核分裂 成成两份，产生裂变，并且产生新的中子去轰击更多的原子核。在这 个过程中由于质量亏损，根据著名的e i n s t e i n 质能公式 e=mc 2 即可获得很高的能量。裂变虽然能产生巨大的能量，但由于裂变产物 的高放射性污染，给人们处理核废料带来了巨大的麻烦。而聚变则是 由轻核合并成重核的过程中损失的质量转变而获取的能量，例如太阳 内部发生的氢核即质子的聚变。在地球上，让高能的氢的同位素核在 碰撞过程中靠得足够近，也会结合在一起形成氦核以及其他产物并释 放出能量，可应用的主要反应公式如下： d + o = t + p + 4 0m e v d + d = j h e + n + 3 3m e v d + t = 4 h e + n + 1 7 6m e v d + 3 h e = 4 h e + p + 1 8 3m e v 而这些反应的材料氘在地球上可以从海水中获得，t 可以从7 l i 和 6 l i 中得到，3 h e 未来可能从月球上大量的获得。聚变能具有消耗燃 料少，资源丰富，无污染的优势，被认为是未来人类最理想的能源。 几十年来，在全世界科学家们的孜孜追求下，可控聚变，尤其是 磁约束受控核聚变取得了巨大的进展。上世纪六十年代，在 l a a r t s i m o v i c h 院士带领下，前苏联的科学家们使得他们的“t o k a m a k 3 ”托卡马克装置里的磁约束等离子体参数，比同期美国的仿星器等 装置明显高的多，并且很快就被由仿星器改造成的新托卡马克实验 所验证。各国都开始了对托卡马克的研究，一大批托卡马克装置如 美国的p l t ，前苏联的t 一1 0 。德国的a s d e x 等于七十年代先后建成， 同时一些大型加热设备如m w 级中性束注入设备，离子回旋共振波加 热设备研制成功，把等离子体的温度提高到超过1 0 k e v 最低点火温度。 7 0 年代末，美国，欧洲，日本和前苏联的开始建造四个大型托卡马克， 最 j t f t r ，j e t , j t - 6 0 ，和2 0 ( 后改为t - 1 5 ) ，进一步推进了磁约束受控 核聚变研究的发展。到九十年代，j e t 和t f t r 1 】两大托卡马克先后 进行了氢同位素氘氚放电运行，后期的d t 实验分别获得了1 0 m w 和t 6 9 m w 的聚变功率f 2 】，使人们对于未来将建立的国际合作托卡马 克聚变堆i t e r 上，实现磁约束受控聚变点火充满信心。 但是磁约束受控核聚变的许多物理和工程问题并未完全解决。在 7 0 年代初，人们发现托卡马克中等离子体粒子和能量输运不能为新经 典理论所描述 3 ，4 ，称之为“反常输运”，在l 模约束下反常输运随 等离子体温度的升高而增加，如按现有定标率建造下一代托卡马克， 耗资巨大( 女h i t e r ) ，同时托卡马克的运行模式也必须从长脉冲走向 持续的稳态。这使人们考虑如何减小磁约束装置的规模和造价。从物 理上进一步探索新途径，深入研究有效的控制反常输运，实现高品质 的约束状态等物理问题，实现长脉冲直至持续放电先进运行模式， 建立更经济、安全实用的稳态反应堆。 小型磁约束托卡马克或类似装置在以往长期的研究实践中，以投 资“小”，“灵”活性好，而见效“快”，在涉及等离子体约束和输运 有关的，特别是边界等离子体性质和影响的许多基本物理问题的研 究方面，以及在实验和诊断有关的技术创新探索等方面，都曾发挥了 积极而重要的作用，对于大型装置实验研究的不足方面，做了很好的 补充。进入2 l 世纪，面对新的聚变研究发展趋势的挑战，如果能利 用小型装置的特点，仍可使小型装置在磁约束研究中发挥积极的作 用。近年来，人们除了继续建造若干个象低纵横比托卡马克等改进形 式的新装置外，还考虑类似托卡马克环磁约束位形的小型稳态装置， 或紧凑型托卡马克仿星器等，美国德克萨斯大学聚变研究中心新建立 的h e l i m a k ( 螺旋马克) 装置即是一个以研究类托卡马克边缘状态下湍 流与反常输运等研究 5 】为目标的小型环形磁约束装置，还有一些国 家建立了做专题研究的环形磁约束小装置，这些部表明，小型装置仍 然大有用武之地。 我们的科大托卡马克k t - 5 c 与现有许多小型托卡马克装置一样， 都为短脉冲放电运行( 几毫秒到几十毫秒数量级，个别特殊设计除 外) 。k t - 5 c 已经工作了十几年，其实验能力受到脉冲电源容量限制， 放电持续时间短，通常需要数十炮放电积累，来获得一个有效的数据， 工作效率较低，难以适应在新时期进一步深入开展磁约束等离子体实 验研究的要求。这使我们考虑如何在可能得到的有限经费支持下，发 挥小型装置灵活适应性，通过对现有的装置各相关系统进行改进，来 扩展和提升其实验功能，更好地开展环形磁约束下，一些基本物理问 题如湍流输运约束等课题的研究。 要提高装置的研究工作效率。其中关键的一个问题是实现长脉冲 稳态放电。从尽量保持原有实验功能考虑，就是要把一个只能脉冲运 行的装置，改造成一个同时还能进行稳态放电的磁约束装置。它能够 在托卡马克脉冲放电和简单环位形稳态放电模式之间方便地切换或 级联。这对大中型装置准稳态先进运行模式相关物理和工程问题研 究，将可能作出有确定意义的重要补充或配合。 本文的工作就是在将k t - 5 c 托卡马克的电源与控制系统改造成 可以脉冲和稳态双功能运行的基础上，再安装二套水平与垂直e c r 微波激发系统，建立k t - 5 d 双功能环，并进行相关的实验研究。 第一章，j 【吉 参考文献 i m c g u i r ekme ta 1 p r o c 16 mi n t c o n f o nf u s i o n e n e r g y ( m o n t r e a l ， c a n a d a ，1 9 9 6 ) v o l1 ( v i e n n a ：i a e a ) p 1 9 2 t h ej e tt e a mp r o e 1 7 “i n t c o n f o nf u s i o ne n e r g y ( y o l c o h a m a ，j a p a n ，1 9 9 8 ) ( v i e n n a ：i a e a ) o v1 2 3 l a a r t s i m o v i c h ，n u c l f u s i o n1 2 ，2 1 5 ( 1 9 7 2 ) 4 h p f u r t h ，n u c l f u s i o n1 5 ，4 8 7 ( 1 9 7 5 ) 5 u c s d & u t a g r o u p h e l i m a kp r o j e e td i s c r i p t i o n2 0 0 1 - 6 第h 二章环形稳态磁约柬轧胃研究概况 第二章环形稳态磁约束装置研究概况 在大量小型磁约束装置中。环形稳态稳态磁约束装置由于其相对 低的建造成本，而具有与托卡马克很相近的环形磁场位形，比较便于 进行相关的实验研究，较多受到了人们的重视。下面首先介绍环形稳 态磁约束装置建造概况。 2 1 各国主要稳态环形磁约束装置概况 环形稳态磁约束装置于二十世纪八十年代以来有较多的建立，为 了确定的实验目的，美国、德国、挪威、意大利、印度等国分别建立 了各自的环磁约束装置。最早建立的是美国普林斯顿大学从事离子波 恩斯坦波发射和射频发射等工作【2 ，3 】的a c t - i 装置，a c t - i 的环向磁 场线圈由2 6 匝线圈构成，绕制在大半径为5 9 c m 的环形真空室上， 经压缩去离子水冷却后，可提供5 5 k g a u s s 的环向稳态磁场。真空室 腔体由2 6 小段构成，小半径1 0 c m ，限制器处于r = 9 c m 的位置。稳态 等离子体可由多种方式产生，在电子回旋波共振加热激发时，环向场 约为3 6 k g a u s s ，1 k w 、1 0 g h z 的射频功率可产生n 1 0 c m q 的等离 子体。低杂波注入加热是a c t - i 上使用的另一种波激发手段，和电 子回旋波注入及将要论述的热钨丝发射相比，低杂波注入产生的等离 子体在极向有更好的对称性。a c t - 1 的低杂波功率为1 k w ，频率在 1 5 0 m h z 至2 0 0 m h z 之间，放电在充气气压5 x 1 0 - 5 t o r r 下进行，稳 态等离子体密度n 1 0 c m - 3 ，电子温度约为5 e v 。常用的热钨丝发射 也是a c t 1 使用的稳态等离子体激发方式之一。0 0 8 ( 由2 m m ) 英寸的 钨丝被加热后，在1 5 0 v 负偏压下发射2 a 电流，加速电子在损失( 平 第二章环形稳态嵫约褒驶置研冗髓眦 均自由程6 0 - 3 0 0 m ) 以前，多次与背景粒子发生碰撞，产生阢 1 0 c m 一，t 。一1 5 e v 的稳态等离子体 4 】。 德国c h r i s t i a n a l b r e c h t s 大学的t e d d i 装置则主要进行等离子体 湍流方面的研究 5 】。其真空室由三个虾米段连接而成，十二并线圈 组成的磁场系统可提供o 1 5 t 的角向磁场，装置大半径r = 0 3 m ，小 半径r = 0 1 m ，一般工作气体为氩气，充气气压在3 x 1 0 _ 2p a 左右，稳 态等离子体可由热灯丝发射或螺旋波注入产生，热灯丝发射情况下， 1 0 0 v 直流电压可拉出0 2 a 电流，螺旋波注入加热采用了 n a g o y a - i i i 型( 双半波) 螺旋波发射天线 6 ，螺旋波频率 2 0 3 0 m h z 7 9 1 ，加热功率2 0 0 w 。稳态等离子体密度为i x l 0 坼m ， 电子温度为4e v ，离子温度为0 0 3 e v ，位于灯丝或发射天线两侧的 两片半径为o 0 4 m 的限制器用于短路曲率飘移和v b 漂移所引起的横 向电场 2 7 】。 b e t a 装置由印度等离子体研究所建立( 图2 1 ) ，主要从事低频( ( c ) 磁流体( m i - i d ) 涨落现象的研究 1 0 】。b e t a 环形真空室由四 段不锈钢筒连接而成，大、小半径分别为r = 0 4 5 m ，r = 0 1 5 m ，环向磁 场由1 6 匝环向场线圈提供，最大磁场可达0 1 t 并维持1 2 s 。稳态等 离子体也由热钨丝发射产生，钨丝直径为2 m m ，长度1 4 c m ，电压为 1 1 0 v 。在充氩气至1 3 x 1 0 - 2p a 情况下，等离子体密度最大可至 5 x 1 0 1 0 c m 一，限制器直径1 8 c m ，与灯丝在大环方向相距1 8 0 。【l l 】 b l a a m a n n 足挪威t r o m s 巾大学的从事输运方面研究的稳态环 装置 1 2 】，其纵场线圈由2 4 组线圈构成，由去离子水冷却，使用 第二二章环形稳态磁约束装置硐f 究概比 3 5 0 k w 晶闸管整流器作为电源，提供8 0 0 a 电流，最高磁场可达 4 0 0 0 g a u s s 。主体真空室大半径为6 5 c m ，小半径为1 3 c m ，由4 段不 锈钢管焊接而成。稳态等离子体可由微波或热钨丝激发，钨丝发射情 况下，充气气压在5 x 1 0 _ 1 。5 x 1 0 - 3 t u b a 之间，通过改变灯丝加热电流 与放e ge g 压, ，可获得1 0 9 c m - 3 1 0 c m - 3 的等离子体，b l a a m a n n 微 波激发时，2 4 5 g h z 、5 k w 的微波功率可以o 波或x 波的模式激发 等离子体，等离子体密度达到3 x 1 0 c m - 3 ，电子温度在e vn n 1 3 。 t h o r e l l o 装置建于意大利，较多的从事波发射方面的研究 1 4 。 其大、小半径分别为4 0 c m 和8 c m ，环向场2 0 0 0 g a u s s 。其稳态等离 子体也由钨丝发射产生，放电电流l 2 a ，等离子体中心密度约为 1 0 1 2 c m 一，边缘为1 0 9 c m 一，电子温度约为l e v ，放电采用氢气，充气 气压为0 5 6 1 0 4 m b a 1 5 】。 与上述装置有所不同，一些装置在环向场上叠加较弱的垂直场形 成螺旋马克位形，麻省理工大学的v t f 装置就是一个早期螺旋马克 位形装置，其环向场为8 0 0 g a u s s ，垂直场由亥姆霍兹线圈提供，大 约为1 0 g a u s s ，稳态等离子体由e c r f 激发产生，等离子体密度最大 为2 x 1 0 c m 一，电子温度为1 0 e v 1 6 。b e t a 装置也进行过螺旋马克 位形下的实验，所加垂直场小于1 0 g u a s s ，约为环向场的l 1 7 】。与 v t f 和b e t a 相比，美国德克萨斯大学在建的h e l i m a k 装置是一 个更大和更为专业的装置，其大半径为1 1 m ，真空室采用矩形截面 结构，高度2 m ，内外半径分别为o 6 m 和1 6 m ，1 6 匝线圈产生0 1 t 的环向磁场，垂直场由三组线圈产生，最大可达到环向场的5 ，稳 第一二章环形稳态磁约囊姨冒州宄f i ；m 态等离子体将由2 4 5 g h z 电子回旋加热产生，预计等离子体密度和电 子温度分别为1 0 c r n - 3 和1 0 2 0 e v 【1 8 】。 下表显示了上述各装置的概况： a c t - lb e l at e d d i1 h o r e l l ov 1 下h e l i m a k n a g o y a k t 5 d 地点美国印度德国挪威意大利美国美国日本中国 人、卜径 5 94 53 0 6 5 4 01 1 0 2 53 2 5 r ( e m ) 小l ，径矩形 l o 1 51 01 48 41 2 5 a ( c n l )( 2 m 环向场 5 5 k l k 1 5 k4 k 2 k 8 0 01 0 0 09 5 01 0 0 0 且( g ) 母卣场 5 0 1 0l o2 且( g )( m a x ) 限制器 9949 r ( c m ) 激发方 e c r 灯丝灯丝e c r 灯丝灯丝e c re c r 螺旋波 z k灯丝 螺旋波 e c r 射频 密度7 , ， 1 0531 l o3 0 2 0 1 0 8 0 0 5 1 0 o c m 电f 温 0 ) 且可被磁剪切抑制。h s u g a i 等人 2 2 】还发现了由e x b 旋转速度剪切所驱动与磁场曲率基本无关的开尔文一亥姆霍兹不稳 定性。 通常认为在纯环向场结构下会由于1 7 b 漂移和曲率漂移而引起空 1 1 第二帝环形稳奄磁约束故冒咒慨m 间电荷积累，并且不存在沿磁力线流动的p f i r s c h s c h l u t e r 电流 2 3 1 。 但d a u g h e r t y 和l e v y 2 4 及s t i x 2 5 在假设非零的边界电荷密度和非 零的表面电荷密度后指出：空间电荷积累所引起的e x b 流将与垂直 漂移引起的电荷积累相抵消，电荷平衡可以达到。n i e u w e n h o v e 2 6 】 发展了a v i n a s h 等人的理论，在一定的压力和电势剖面下，存在一种 静态电荷分布同时满足连续性方程和泊松方程 詈冉 p ! 学+ 嚣e z ) o ( 2 4 ) v 2 妒：一旦( 2 5 ) 知 设若边界电势在给定常数下，e x b 漂移将与器壁平行，不存在等离子 体或空间电荷损失机制。y o s h i k a w a 等人 2 7 贝j j 对边界有限压力的情 况进行了这种非平衡机制的研究，在其假设中，等离子体芯部压强为 一空间常量，因而在芯部没有粒子漂移而引起的空间电荷积累。而在 刮削层附近，电荷沿磁力线运动到达限制器，限制器在短路垂直分离 电荷中起着基本的作用，上、下刮削区域的不同电势形成垂直电场， 从而引起径向的e x b 流，决定等离子体的约束时间。d a u g h e r t y 等人 与y o s h i k a w a 在电荷的平衡的建立上有很大不同，d a u g h e r t y 等人着 重于等离子体芯部快速极向旋转而y o s h i k a w a 则更强调刮削层附近限 制器在输运电荷中的决定性作用。k r y p d a l 1 2 运用极向旋转模型对 典型聚变装置的径向电场进行了估计，约为1 0 4 w m ，而实际观测仅 为1 0 2 v m ，在b l a a m a n n 1 2 上的结果表明运用离子中性粒子碰 撞模型及考虑到一定的垂直场后得出的类p f i r s c h s c h l u t e r 电流仍比 第二章环形稳态磁约束装冒究慨兑 热电子发射电流小一个量级，f g r e i n e r 也在t e d d i 上进行了等离子 体约束时间和平衡的研究 2 8 1 ，发现约束时间长于磁流体过程的时间 尺度( m g s ) ，但没有发现大的极向旋转或明显的限制器电流的迹象， 可见对纯环向场几何位形的平衡问题有待进一步研究。 如果在真空室的环向磁场上叠加垂直磁场毋。形成螺旋位形，则 将得到一个与仅有纯环向磁场时完全不同的平衡图景。目前关于螺旋 位形下磁流体平衡和稳定的研究非常少，几乎都是来自关于托卡马克 中等离子体的预电离和等离子体启动的研究 2 9 ，3 0 1 。螺旋位形下垂直 电子漂移电流和相应的极化电场将被与平行于磁场方向相反的电流 减弱，实质上，极化电场将被沿着螺旋磁场磁力线方向的中和电流短 路。图2 3 是b l a a m a n n 在2 6 4 k g 环向场上叠加较弱的垂直场 ( 7 2 g ) 后的等离子体电位、电子密度和电子温度的分布情况，由势 阱和势垒并存的结构变为单峰结构。b o r a 等人指出存在微弱的垂直 场情况下，平行于磁场的波数由纯环向场的 k 2 二2 7 r b 卯0 ( 2 6 ) 变为有加垂直场后的 “。丽1 ( 2 7 ) 其中n 为在由方向磁力线的螺旋次数，较小的波数将抑制槽形不稳定 性的增长率，引起涨落功率谱的减小【3 l 】。图2 4 为b e t a 在不同垂 直场作用下密度涨落积分功率的径向分布，可看出不同的垂直场极大 的改变了积分功率，考虑到杂散场的原因，两个方向的垂直场并不等 价。 第一二章环形稳态磁约束装骨f 究慨；圮 美国德克萨斯大学正在建造的h e l i m a k 则是针对螺旋位形设 计的，其真空室截面呈矩形，高度达2 m 以实现较为简单的平板位形， 底部、顶部的导体板和圆柱状导体壳的内表面组成的导体壳构成闭合 垂直电流成分的传导通路，图2 5 给出了h e l i m a k 的磁场结构。在 这种结构下可方便地假设： 1 ) 截面方向等离子体均匀； 2 ) 轴线方向尺度是无穷( h 0 0 ) ； 3 ) 等压强面( p = c o n s t a n t ) 为同心圆柱面。 则径向平衡关系变为 未c p + 勃+ 嘉詈c 妒华= 。 亿8 ， 通过对上述方程的解析 3 2 】，可发现如果外加足够的垂直磁场， 可形成等离子体和电荷的平衡，h e l i m a k 的垂直场设计为最大可达 环向场的5 ，有关这种螺旋位形对等离子体的约束性质的具体结论 需要更多的实验运行研究来加以证明。 综上所述，近年来环形稳态磁约束装置与相关的平衡和湍流实验 研究取得了很大进展，对于聚变等离子体的研究构成一个很好的补 充。但相关装置数目较少，进行的放电和观测课题有限，实验结果还 很不充分。这为建立新的小型稳态磁约束环装置和开展实验提供了机 会，本文的工作正是围绕这个主题展开的。 第二二章环形稳态磁约束装置研亢概况 参考文献： 1 t h ej e t t e a m p r o c 1 7 “i n t c o n f o n f u s i o n e n e r g y ( y o l c o h a m a ，j a p a n ，1 9 9 8 ) ( v i e n n a ：i a e a ) o v1 1 2 2 k l w o n g ，e ta 1 ，p h y s r e v l e t t 4 5 ，l1 7 ( 1 9 8 0 ) 3 k l w o n g ，e ta 1 ，p h y s r e v l e t t 4 5 ，11 0 5 ( 1 9 8 0 ) 4 k l w o n g ，e ta 1 ，r e v s c i 1 n s t r u m 5 3 ( 4 ) ，4 0 9 ( 1 9 8 2 ) 5 o g r u l k e ，e ta 1 ，p l a s m ap h y s c o n t r 0 1 f u s i o n4 3 ，5 2 5 ( 2 0 0 1 ) 6 m l i g h t & f f c h e np h y s p l a s m a s2 ，1 0 8 4 ( 1 9 9 5 ) 7 r w b o s w e l lp l a s m ap h y s c o n t r 0 1 f u s i o n 2 6 ，1 1 4 7 ( 1 9 8 4 ) 8 f f c h e np h y s p l a s m a s3 1 7 8 3 ( 1 9 9 6 ) 9 f e c h e n & r w ：b o s w e l li e e et r a n s p l a s m as c i 2 5 ，1 2 4 5 ( 1 9 9 7 ) 1 0 d b o r a ，p h y s l e t t a1 3 9 ，3 0 8 ( 1 9 8 9 ) 11 s k m a f f o o ，e ta 1 ，j a p p l p h y s 6 0 ，2 7 6 2 ( 1 9 8 6 ) 1 2 k r y p d a l ，e ta 1 ，p l a s m ap h y s c o n t r 0 1 f u s i o n3 6 ，1 0 9 9 ( 1 9 9 4 ) 1 3 k r y p d a l ，e ta 1 ，p h y s p l a s m a s4 ，1 4 6 8 ( 1 9 9 7 ) 1 4 c r i c c a r d i ，e ta 1 ，p l a s m ap h y s c o n w 0 1 f u s i o n3 6 ，1 7 9 1 ( 1 9 9 4 ) 1 5 c r i c c a r d i ，e ta 1 ，p l a s m ap h y s c o n t r 0 1 f u s i o n4 1 ，b 2 0 9 ( 1 9 9 9 ) 1 6 e d z i m m e r m a n ，c ta 1 ，j f u s i o n ，e n e r g y 1 2 ，2 8 9 ( 1 9 9 3 ) 1 7 e k s h a r m a ，c ta 1 ，p l a s m ap h y s ，c o n t r 0 1 f u s i o n3 7 ，1 0 0 3 ( 1 9 9 5 ) 1 8 s t t w 也e ta 1 ，f u s i o ne n g i n e e r i n ga n dd e s i g n6 3 6 4 ，5 9 ( 2 0 0 2 ) 1 9 h t a s s o ，e ta 1 ，p h y s f i u i d s1 2 ，2 4 4 4 ( 1 9 6 9 ) 2 0 k a v i n a s h & s n b h a t t a c h a r y y a ，p l a s m ap h y s c o n t r 0 1 f u s i o n3 4 ，l1 6 3 ( 1 9 9 2 ) 2 1 a k o m o r i ，e ta 1 ，p h y s r e v l e t t 4 0 ，7 6 8 ( 1 9 7 8 ) 2 2 h s u g a i ，e ta 1 ，p h y s f l u i d s 2 0 ，9 0 ( 1 9 7 7 ) 2 3 d p f i r s c h & a s c h l u t e rm a x p l a n c k - i n s t i t u t er e p o gm p i p a 7 6 2 ( 1 9 6 2 ) 2 4 j d d a u g h e r t y & r h l e v y , p h y s f l u i d s1 0 ，1 5 5 ( 1 9 6 7 ) 2 5 t h s t i x ，p h y s r e v l e t t 2 4 ，1 3 5 ( 1 9 7 0 ) 2 6 r v n i e u w e n h o v e ，p l a s m ap h y s c o n t r 0 1 f u s i o n3 4 ，8 7 3 ( 1 9 9 2 ) 2 7 s y o s h i k a w a , e ta l ，p h y s f l u i d s1 0 ，1 5 0 6 ( 1 9 6 3 ) 2 8 f g r e i n e r , e ta 1 ，p l a s m as o u r c e ss c i t c c h n 0 1 s u b m i r e d ，( 2 0 0 1 ) 2 9 k y p e n g ，e ta 1 ，n u c l f u s i o n1 8 ，1 4 8 9 ( 1 9 7 8 ) 3 0 a c l k u l c h a r , e ta l ，p h y 7 s f l u i d s2 7 ，1 8 6 9 ( 1 9 8 4 ) 3 1 p k ，s h a r m a & d b o r ap l a s m ap h y s c o n t r 0 1 f u s i o n3 7 ，1 0 0 3 ( 1 9 9 5 ) 1 5 - 第二章环形稳态磁约柬址冒砌亢概m 3 2 u c s d & u t ag r o u p h e l i m a kp r o j e c td i s c r i p t i o n2 0 0 1 - 1 6 - 附图： 第二章附图 ，蠢_ - t 1 袅五e 嘣i c 托_ 脯o ，吐_ e 孙棚埘瞻， 图2 1b e t a 装置结构图 图2 2b l a a m a n n 装置上等离子体电位、电子密度与电 子温度剖面图 图2 3 加垂直场后( b t = 2 6 4 k g 、b ，= 7 2 g ) b l a a m a n n 装置等离 子体电位、电子密度与电子温度剖面的改变 鼍 答 羞 g ； - l 出 b i 2 $ 釜 苎 订： ! - l ： ：- 第一二章附| 笙| ，” 。 图2 4b e t a 装置不同垂直场下密度图2 5h e l l m a k 磁场结构示意图 涨落积分功率的径向分布 第三章k t - 5 d 取功能环及j 诊断系统 第三章k t - s d 双功能环及其诊断系统 3 1k t - s d 双功能环介绍 我们的装置是一个既能进行托卡马克脉冲放电，又能进行e c r 稳态放电的装置。 托卡马克运行的一个重要特点是，在环向场建立后，通过极向场 磁通变化感应的环向电场作用，一举解决了几个问题：使气体沿环向 击穿，形成等离子体：并驱动其成为环流，环流的角向磁场导致磁力 线螺旋变换，形成层层套迭的磁面，实现了磁流体的宏观平衡稳定； 而环流的欧姆耗散，又实现了感应加热等离子体。 不过这既是托卡马克的优点，也是它的缺点。极向场电源提供的 磁通变化量，再大也是有限的，一旦用尽，等离子体环流放电也将终 止。k t - s c 装置的脉冲磁场电源容量小，只能进行短脉冲电流放电。 为了获得一个较好的统计平均有效数据，通常需要进行数十次，重复 性的放电的数据积累，要消耗大量的时间和精力，工作的效率比较低。 也难以进行那些需要一次性长时间分辨分析的实验。而稳态环放电运 行将可能在继续以湍流输运特性为主要研究方向上，更积极有效的开 展工作。两种放电方式都能实行，有利于更充分地发挥高校小型装置 的优势。 3 1 1 托卡马克放电系统 k t - 5 c 托卡马克是一个小型托卡马克，装置由主体真空室以及纵 场、加热场与垂直场磁体构成。其主要参数可参见下表。 第三章k t - 5 d 双功能蚪度j c 渗断系统 大半径r3 2 5c m 真空室半径a 1 2 5c m 等离子体小半径a p 8 5c m 等离子体电流i ， 8 1 5k a 纵场强度b 。 4 6k g 等离子体持续时间t p - 2m s 电子密度巩 1 0 1 21 0 1 3 c m 3 边缘电子温度t 。 3 0 e v 主体真空室由壁厚1 5 m m 的无磁不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i 为材料，采 用简单实用的圆截面全硬段虾米节焊接结构，以两个半环进行对接、 双绝缘隔缝，用端面法兰合拢，连接方式采用内法兰实现。真空室总 计有3 6 个窗口，其中垂直方向圆窗口( ( d 5 0 m m ) 有2 0 个，水平外 侧的圆窗口( ( d 1 0 0 m m ) 有1 1 个，还有5 个5 0 m m x l 6 0 m m 的跑道 型窗口( 上下4 个、外侧1 个) ，在真空室内装有半径为9 c m 的圆形 限制器。 整个装置的密封连接方式有以下几种，对于水平外侧的1 0 0 m m 圆窗口，采用了不锈钢衬环氟橡胶圈密封的形式，可经常拆卸重复使 用，对于垂直方向( d 5 0 m m 圆窗口采用了氟橡胶圈直接密封的形式， 而对于抽气管道高真空部分与跑道窗口则采用了金属圈压接的形式。 系统抽气系统有两套，均由抽速为4 5 0 升秒的涡轮分子泵和抽速为4 升秒的前级机械泵构成，极限真空可达n l o 。4 p a 量级。系统的充气由 第三章l 汀5 d 双功能环及儿诊断系统 z 0 7 型质量流量控制器控制，可同时通入两路气体h 2 或心，控制器 允许工作压差为0 0 5 - 4 ) 3 m p a ，适合实验的要求。 系统的纵场线圈有1 6 并，每并8 匝，采用消除引流杂散场的并 绕方式绕制，线圈的线规为1 2 5 m m x 7 m m ，电流磁场换算关系为 7 5 k a l 6 k g s ，线圈沿环向均匀分布，在小截面边缘处的波纹度小于5 。纵场的电源系统由1 5 0 台1 5 0 9 f 5 k v 高压电容器构成，采用了拉 长放电平顶时间的三级l c 仿真线放电，可使纵场平项时间达到8 m s 以上。 加热场中心螺管线圈为空气芯，采用8 5 匝平绕式，补偿场有四 个线圈上下对称放置，两个l o 匝，两个4 匝，加热场由3 0 台1 5 0 9 f 5 k v 的高压电容器构成其供电电源，在通过2 k a 电流时能提供的伏秒数 为0 。0 2 1 v s 。 装置的垂直场有