【摘 要】
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等离子体破裂在托卡马克运行中是非常常见的现象,且会对大型托卡马克造成严重的危害。磁约束聚变中等离子体蕴含着巨大的热能和磁能,尤其在国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor—ITER)中,它的等离子体电流将达到15MA,热能和磁能都达到500MJ,此时发生等离子体大破裂会对托卡马克装置带来三种不同的危害:1.巨大的热载荷会损
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等离子体破裂在托卡马克运行中是非常常见的现象,且会对大型托卡马克造成严重的危害。磁约束聚变中等离子体蕴含着巨大的热能和磁能,尤其在国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor—ITER)中,它的等离子体电流将达到15MA,热能和磁能都达到500MJ,此时发生等离子体大破裂会对托卡马克装置带来三种不同的危害:1.巨大的热载荷会损坏装置第一壁;2.等离子体电流猝灭和晕电流产生的电磁感应力会破坏装置结构;3.破裂产生的逃逸电流撞击装置壁。因此等离子体大破裂的避免和缓解对大型托卡马克装置来说尤为重要。破碎弹丸注入(SPI)是目前ITER上用来进行破裂缓解和逃逸电流耗散的基本手段之一,它能通过增加等离子体密度达到增大辐射,减小晕电流以及抑制逃逸电子加速的目的。对比之前的大量气体注入和“杀手”弹丸注入,它能将杂质注入到更靠近芯部的位置,同时也不会对装置造成损坏。本文首次在J-TEXT装置上设计建立了一套氩SPI系统,用于开展基于SPI的破裂缓解研究。该套系统包括:注入器及其气路系统,诊断系统,缓冲室,破碎管道和控制系统。它能在60K左右的温度下生成一个直径为5mm,长度为4-10mm的弹丸,以100-300m/s的速度发射出去,然后经过弯曲管道破碎后注入到等离子体中。通过平台测试,确定了该套系统的可靠性和影响弹丸成形速度,大小和飞行速度的主要因素。该套系统于2018年春季实验正式安装到J-TEXT托卡马克上,并进行了相关实验研究,探究了弹丸尺寸和速度对于SPI快速关断的影响,实验发现弹丸尺寸和速度增加,会导致穿透时间缩短,穿透深度加深。同时开展了基于SPI的等离子体快速关断和逃逸电流耗散的实验研究,并与MGI的结果进行了对比,发现SPI具有更深的穿透深度且杂质的沉积更靠近芯部,但是在耗散方面,SPI达不到MGI对于逃逸电流的耗散效果。
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