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2015年度HL-2A实验研究
编辑: 发布时间: 2016年12月09日

    2015年,HL-2A装置新建了具有新型天线的2MW/3.7GHz低杂波系统,2MW/105GHz/3s电子回旋加热系统和多发激光吹气系统,并投入物理实验研究。多项新的诊断,如多道激光干涉/极化仪、多道复合光谱、电子回旋辐射成像(ECEI)和微波反射系统等有大的改进和升级, 在实验中发挥重要作用。物理实验取得了多项新的科研成果。在H模条件下,首次利用新型天线进行电流驱动,总反射率小于10%;用强中性束加热实现具有内部输运垒的等离子体放电;在H模物理研究方面,对径向电场的产生机制,杂质在L-H转换中的作用及台基动力学过程又有新的发现;首次观测到低环向模数阿尔芬离子梯度模、非共振电子鱼骨模及双电子鱼骨模的存在。另外,在ELM缓解和控制,NTM的控制,及等离子体破裂控制和缓解方面也做出了很好的结果, 这些研究和ITER的运行有很大的关系,受到了国际聚变界的广泛关注。

    1、HL-2A装置上非局域输运研究的进展

    在HL-2A装置上首先采用SMBI加料诱发非局域输运,并取得了一系列的研究成果,其典型特征是在SMBI加料后,会引起边缘区域电子温度突然下降,同时导致芯部电子温度急剧上升,其整体等离子体的响应时间尺度远远小于局域输运过程的时间尺度,还观测到在非局域输运发生后电子温度剖面分布明显峰化的现象。进一步研究表明:非局域输运现象能在密度低于40%的Greenwald极限的放电中产生,ECRH可以增加非局域输运的扰动强度,也可适当扩展其密度限制的范围。若密度扰动在(2-5)%范围内,观测到芯部电子温度瞬时上升可以达到15%;如果再加上ECRH的作用,可以使芯部温度上升25%。温度扰动会随着密度扰动幅度的增加而下降,当密度扰动超过8%时,非局域输运效应会消失。在非局域输运过程中,还观测边缘湍流强度增加,同时芯部湍流强度下降,与电子温度分布峰化的观测结果一致。在HL-2A装置上还观测到鱼骨模不稳定性也可以诱发非局域输运效应,但是其存在的时间尺度很短,通常小于1ms。一次典型的鱼骨模不稳定性触发非局域输运的放电过程如图2所示:当每次鱼骨模不稳定性爆发时,都会引起芯部区域(= 0.23)的电子温度瞬时上升,同时导致边缘区域(= 0.83)的电子温度突然下降。这一激化过程正好与用SMBI加料激发NLT的过程相反,后者是由于边缘温度的下降导致了芯部温度的上升。

    2低杂波系统建设和实验进展

    HL-2A装置新设计和建造了一套3.7GHz低杂波系统。根据实际运行的需求,2015年对该系统中的传输线部分部件进行了改进和更换,并开展了H模条件下的耦合优化实验,这是世界上首次使用PAM天线进行H模等离子体的低杂波耦合实验,具有开创性和重要意义,为ITER装置的低杂波运行积累了经验和数据。该工作也得到了国际同行的认可和肯定。在下一年度实验中,系统将完成定向耦合器的改进、吹气系统的改进和天线移动能力的调整等工作,进一步提高耦合功率和脉宽,争取用低杂波单独实现非感应全电流驱动和触发高约束模式。

    3电子回旋辐射成像系统(ECEI)升级和初步实验结果

    升级后的ECEI系统是在2013年研制的24x8 ECEI系统的基础上发展起来的。主要改进之处在于拓宽了系统的工作频率,即等离子体中的观测范围。目前该系统能够同时对强场侧和弱场侧的等离子体电子温度扰动成像。该系统的亮点在于:(1)两套ECEI阵列共用变焦光学部分,大大节省了装置周围的空间;(2)两套独立的本振系统使得测量区间可以根据实验需求非常灵活地移动。升级后的系统在实验室标定后于2014年底安装到HL-2A装置上,成功测量到了多种MHD模式的二维结构,如锯齿重联、撕裂模、鱼骨模等。这里二维模结构用给定傅立叶频率窗下的电子温度相对变化来表征(△Te/<Te>)。图2为升级后的ECEI系统测量到的m/n=2/1撕裂模的二维结构演化图(第26849炮)。该次放电为欧姆放电,等离子体电流为150kA,线平均密度为1x1019 m-3,磁轴位于R=167cm的位置。模频率为2.5-3.5kHz。从图中可以看出,二维图中分别有两个冷斑和两个热斑,说明该模式的极向模数m=2,且该模式在q=2有理面附近沿着电子逆磁漂移方向旋转。

    4HL-2A装置ECRH系统在新经典撕裂模控制方面的进展

    HL-2A装置ECRH系统目前由2MW/140(105)GHz/3s系统和3MW/68GHz/1(1.5)s系统构成。天线安装在两个中平面窗口上,均采用2×2布局,反射镜采用前端调节方式,注入角度范围可调,其中环向角度范围是-18~18度,为了满足极向注入角度快速可调,天线镜面转动的驱动机构用推杆结构替代了原有的拉丝结构,采用这种结构,极向角从垂直入射到最大角度17度倾斜入射,所需时间仅为250ms。电子回旋波沉积的径向分辨率约为4mm,沉积剖面半宽度约为2cm。在2015年度试验中,开展了初步的实时反馈控制TM实验。实验过程中,中控系统每隔50ms发送一次磁岛信息,控制器的时间延迟为30ms。在监测到(2,1)模磁岛的存在后,中控系统发出开启指令给ECRH系统以启动时序控制,同时将位置信息(r/a~0.6)发送给控制器。在150ms时间内,天线发射角度从初始角度(垂直注入)调整到目标发射角度,与此同时,磁岛受电子回旋加热投入的影响宽度逐渐减小,在200ms以内,实现了磁岛的完全抑制。为进一步提高响应速度,今后将采用新的电机,由控制器直接控制电机转动,减少经过PLC系统的时间消耗。

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