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2017年度HL-2A实验进展
编辑: 发布时间: 2018年08月09日

    2017年,HL-2A装置实验关键技术取得多项突破。新发展CO2色散干涉仪系统、束发射光谱(BES)等7项先进诊断技术,改进6项诊断技术,部分诊断技术处于国际领先地位。完成了低杂波系统的安装与联调,波源输出总功率超过2MW,基于微波相干功率合成技术,得到了500kW的单路微波,该项指标达到国际先进水平;电子回旋加热系统性能全面升级,具备了5MW电子回旋加热能力,系统稳定性和可靠性得到提高;中性束加热系统核心部件的调试取得突破,掌握了热阴极桶式离子源研制技术,束功率超过2.3MW;自主研发了破碎弹丸注入器。上述诊断、加热和加料技术的新发展,提升了HL-2A装置的科研实验能力和等离子体物理的实验的研究能力。取得多项前沿创新的等离子体物理实验研究成果,在边缘等离子体约束和输运研究方面,发现了触发台基跨塌的新机制,研究了中等尺度的电扰动与磁岛、带状流和湍流间的相互作用;在台基物理及ELM控制研究方面,开展了低杂波和激光吹气注入杂质缓解ELM的实验研究,实现了低杂波对ELM的有效缓解;在磁流体不稳定性研究方面,实现了利用ECRH实时控制新经典撕裂模,实现了利用共振磁扰动线圈激发边缘局域模的效果,开展了数值模拟,解释了在国际大中型装置上的相同实验结果;在高能粒子物理研究方面,开展了离子鱼骨模不稳定性的控制和不稳定性多模跨尺度耦合的实验研究,取得了新数据;首次观测到快电子激发的频率缓慢变化的非共振鱼骨模不稳定性。

  1.先进诊断技术的研制

    在HL-2A装置上新研制和改造了一些精密诊断系统,包括测量密度和法拉第旋转的多道HCOOH激光干涉仪和偏振仪,用于二维电子温度涨落测量的384道电子回旋辐射成像(ECEI)系统,测量极向旋转和湍流测量的多道多普勒背向散射反射仪(DBS),测量环向旋转的多普勒相关成像系统,探测高模数(m/n = 20/30)MHD不稳定性的高频磁探针阵列,和用于观测主真空室等离子体与壁相互作用的广角红外潜望镜系统。近期还开发了一系列的送气系统,包括大流量气体注入(MGI)系统、超声分子束注入(SMBI)系统等。这些硬件的扩容大大推动了等离子体物理的研究。

  2. 杂质对台基区动力学和不稳定性影响的研究

    在HL-2A装置上,近期开展了杂质对台基区动力学和不稳定性影响的研究。实验数据表明,在H模期间,杂质逐渐在等离子体边界区域积聚,在磁湍流谱上观测到了一个宽频(50-150kHz)的电磁湍流。电磁湍流在I-phase和H模之间的周期性转换起了关键作用。从电磁湍流和归一化杂质密度梯度的相互关系,可以发现激励湍流的双临界杂质梯度。碳杂质离子对电磁湍流的作用,采用求解电磁积分特征方程研究漂移不稳定性的回旋动力学代码HD7进行了研究。

  3. 多种ELM缓解技术的实验研究

    包括超声分子束注入(SMBI)、杂质诱发、共振磁扰动(RMP)和低杂波(LHW)在内的多种ELM缓解技术进行了实验研究。低杂波对ELM的缓解与多普勒反射仪测得的台基湍流同步。通过激光吹气(LBO)和SMBI实现了ELM缓解。采用SMBI技术,实验结果表明,较浅的(注入到分界面20%台基区位置)SMBI就足以缓解ELM。通过施加n=1的共振磁场扰动,在HL-2A上首次观测到了ELM缓解现象。对于边界安全因子q95,ELM缓解的窗口是3.65-3.85。通过电荷交换复合光谱诊断的测量,发现在ELM缓解过程中,芯部环向旋转的速度下降总是与密度排除(pump-out)现象同时出现。

  4. 芯部输运进展

    在芯部输运的进展方面,在中性束注入的放电中观测到了离子内部输运垒(iITBs)。实验结果表明,流剪切(flow shear)对ITB的维持具有重要意义。ECRH对于杂质输运的影响在实验中也进行了研究,当ECRH功率沉积在锯齿反转面以内时,观测到了芯部杂质浓度的下降。通过多道微波反射仪,测量到了准相干的捕获电子模(TEM)密度涨落谱。研究了湍流类型的切换和TEM对粒子输运的影响。对于非局域热输运,产生NTMs的等离子体比压b的临界值,在非局域放电中一般来说要比没有非局域现象输运的情况要小。一种新的由离子鱼骨模驱动的非局域输运现象被观测到了。

  5、破裂放电中逃逸电流行为的研究

    近来,对MGI导致的破裂放电中逃逸电流的行为进行了大量研究。在注入氩之后,出现了一个持续时间较长的逃逸电流平台,逃逸电流被SMBI成功抑制。在HL-2A上成功研发了ECRH实时控制新经典撕裂模(NTMs)系统并首次在实验中实现了对TMs的主动控制。在弱剪切、低压强梯度欧姆等离子体中,观测到了低n阿尔芬离子温度梯度模(AITG)。在反磁剪切等离子体中,利用2维ECEI系统观测到了m/n=1/1的向极向相反方向传播的双电子鱼骨模。

  6.其他实验研究和进展

    在实验中首次观测到了边缘等离子体测地声模(GAMs)和磁湍流之间的同步现象,已在相关文献中阐述了与之伴随的频率保持和锁相现象。带状流的三维结构采用多道相关多普勒反射仪进行了研究。此外,朗道阻尼和碰撞阻尼对GAM的幅度的影响通过理论计算得以重现。对泡滴(blobs)和空穴(holes)的形成机制也进行了研究。

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