HL_1M等离子体加料密度特性

1、上升，从能量平衡的角度看，7；的升高是由 ICW波与等离子体相互作用引起的。在等离子体中，杂质辐射功率密度用下面 的表达式（1）来估算：Qz = ZzLi（1）式中，心是电子密度，血是杂质密度，人是杂 质离子的冷却率，它是电子温度的函数。注入 到等离子体的氢弹丸和分子束气体对等离子体 起着加料的作用，这些氢原子在高温等离子体 中电离之后会增加电子密度。从式（1）中也可以 看到，只要等离子体的电子密度有所增加，那 么辐射损失功率密度也会增加，这在第6158和 第6221次玫电的实验数据中已经看到。在ECW和ICW注入到等离子体之后的 ICRH实验初期，ICRH实验装置的天线可能有不 干净物质，所

2、以杂质辐射非常强，当【CW放电 进行几十次之后，杂质辐射就几乎看不到了。 如果大功率电磁波（ECW和ICW）注入引起等离 了体中的杂质增多，那么必然会使得辐射损失 增大，从式（1）中也可以看到c在第6289次放电 ECW注入之后并没有看到心和nz的增加，而 我们却测到了辐射损失的增加。我们仍然用式 （1）来解释，现在的等离子体除了欧姆加热之外 还有ECW波加热，被ECW波加热的电子与等 离子体中原有的杂质离子（并非新产生的杂质离 子）:相互作用损失更多的辐射功率，也就是说辐 射函数匚的值随着电子温度的提高而增大。在本工作中还得到了徐德明副研究员、曹 建勇博士和林浩曙副研究员的帮助，一并向他 门

3、致谢。参考文献1 Tokar M Z. Effect of Radial Particle Transport on Radiation from bglit Impurities.Nucl. Fusion11994,34（6）:8542施明亮，潘宇东，王瑞荣等硅光电探测器在核聚变 装置辐射损失测塑中的应用光子学报，1999 , 28 （Z1）： 1631994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.http:/Zki. net1994-2011 China Acade

4、mic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.http:/Zki. net1.17 HL-1M等离子体加料密度特性肖正贵李波李立董贾福姚良骅刘德权关建词加料弹丸超声分子束喷气1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.http:/Zki. net1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rig

5、hts reserved.http:/Zki. net等离子体加料和密度控制是磁约束核聚变 基本研究内容之一。HWM实验装置用8发PI 系统与SMBI和CP组成联合加料系统，以它们 相互配合进行了一系列放电实验，取得了丰硕 的成果本文就等离子体电子密度、改善约 束特性与燃料粒子注入深度、放电装置器壁再 循环的关系等结果作一介绍。核聚变装置真空室器壁再循环（单位时间内 碰撞器壁的分子个数与从器壁上释放岀来的分 子个数之比）条件对放电密度有较大的影响。 HMM弹丸和超声分子束加料实验是在装置硼 化或硅化处理和範晖光放电清洗结束后器樂很 干净的状况下开始的。随着放电次数的增加器 壁条件变化

6、，加料实验结果也有所不同。1放电密度与低再循环放电清洗刚结束后的干净器壁再循环很 低，加料粒子被器壁吸附使得加料效率低。如 果只有本底送气（乩二5x10-2 Pa）,放电密度汕 值0.4xltf9m-密度波形呈缓慢上升后缓慢 下降，密度峰化系数0 =皿）/凡（中心密度与 平均密度之比）约为1.3。但是，用强本底脉冲 （力=2x 10“Pa）和加长脉冲（250 ms）补充送气 （Pb = 2.6x lO-Pa）也可获得高密度（7.Ox 10“ m-3）, d./V/dt=4.4x !0am-3 s（第 6079 次放 电时，4 = 150 kA, Bt = 2.0 T）放电，Qn1.01.6,

7、r, 】8,峰化区变宽。已测得 的弹丸加料密度ne（0）=5.3xltf9m-3,等离子 体能量严6.0 kJ增加3倍，体从0.15上升到 0.5,超热辐射急剧下降，能量约束时间（re = 26 ms）比喷气放电增加30%以上。边界朗廖尔探针 测量表明，边界外侧密度升值通常是内侧的2 3倍。快密度增长率（dn/df 1 x IO22m-3 s-）密度快速峰化与边界再循环提供的粒子相 结合使等离子体整体密度升高，约束改善。但 也有大弹丸仃.4 mm）连续注入使HCN激光干涉 仪丢失差拍信号，测不出密度上升信号的现象。髙再循环下多脉冲分子束注入获得稳定的 高密度放电，ne = 8xlOl9m-3（

8、第4965次放电， lp = 186 kA, B： = 2.4T）, dn/di = 3 x lOm3 s_l,= 1.4- 1.6, r = 25 ms0 多脉冲分子束提供准稳态气流使高密度持续时间较长（ 150 ms）,但Qn值不如弹丸注入高，且是逐步形成的， 由注入初期的1.4升到后期（400 ms后）的1.603加料消融过程的研究38粒子消融过程通常是通过观察加料粒子入 射截面上的原子或低电离离子的发光强度/（H图2在第5290次放电时髙再循环条件下 弹丸加料的密度随时间的变化1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing

9、House. All rights reserved.http:/Zki. net线辐射)和多道软X射线(SX)辐射的时空信号来 研究的c当等离子体电子温度超过原子或离子 的电离势时，原子或低电离离子的发光强 度/正比于弹丸消融率N。多道Ha线辐射测量用来直接确定加料粒子 沉积位置(穿透深度入p)。消融过程中产生的中 性气体云始终包围着弹丸，比辐射强度随消融 率増加而增加，其蜂值随弹丸移动而移动。当 等离子体电子温度较高(/P = 200 kA, 丁宀1250 eV),弹丸只在外侧r/a = O.8-O.5(a为装置的 小半径)区域消融图3(a)：大部分弹丸加料放 电都在放电截面较宽

10、、温度适当(/P=150 kA, 7； = 1 000 eV)条件下进行，弹丸从沿近边开始 到主要在中心区(r/ = 0.70.1)消融图3 (b)|;通过弹丸消融云等强度切割图我们可以 估算岀消融云在等离子体中的移动速度。实 验发现低于弹丸的自由飞行速度，这表明高 0的弹丸云受到沿装置大半径R方向的推力所 致，从而证实下一代弾丸加料应从装置芯部髙 磁场側(FHS)注入的必要性。分子朿注入的粒子大部分在边缘(r/a = 0.70.8)消融，少量在中部区域(r/a = 0.5附 近)沉积。从密度峰化的时间性看出，分子束注 人峰化密质是靠对流产生的，故其蜂化速度和 程度都不如弹丸加料，尽管目前测得

11、的等离子 体电子密度值高于弹丸加料。普通脉冲送气粒 子完全在边缘(r/a二0.80.9)消融，故其峰化 程度更低。如前所述，由补充送气、分子束，弹丸注 人装置产生等离子体密度变化AM分别与不放图3不同放电参数下弹丸消越云H.辐射的 时空变化(a)及其等强度切面图(b)电时注入燃料的真空度变化Ap之比值推算出各 种加料方法的加料效率加普通送气7 = 20%- 30%,分子束q = 50%,弹丸注入q = 70% 80%o显然，加料效率与燃料注入沉积深度 密切相关。图4在第6222次放电时超声分子束(a)和在第6197次放电时常现脉冲送气(b)时比信号的时空变化HMM装置成功地用弹丸加料、分子束注

12、 入、常规秋冲送气三种加料方式进行了放电密 度轉性及约束改善的研究。实验表明装置器壁 再循坏条件对弹丸加料和分子束注入获得髙密 度放电影响较大。低再循环条件下不易获得髙 密度放电；高再循环条件下容易获得密度放 电，分子束注入获得了最高密度放电(He = 8x i(y9m-3)o常规脉冲送气放电密度受低再循环的 影响可由加强本底送气和长脉冲补充送气来克 服。加料粒子消融过程分析显示，由于弹丸注 入禹粒子大多直接沉积于等离子体芯部，形成 快而高的峰化密度分布，尽管其密度极大值不 如分子束注入和常规脉冲送气，但其良好的约 束使其能量约束时间最长为26 ms,加料效率最 髙为 70%-80%。参考文献

13、1肖正贵，刘徳权，李波等.HL1M装豊多发弹丸加料实验规测.核聚变与等离子体物理,1999,19(0:212刘 仪，郭干城,钟云译弹丸注人实验中等离子体的 约束改善特征和中心磁流体动力学待性研究中国核 科技报告.CNI001279.S1P-0105.北京:原子能出版社, 199&113 XIAO Zhengui, LIU Dequan, LI Bo, et al ExperimentalResult of Pellet Fueling in HLrlM. In: B.Schwecr.G. VanOost, E. Vie忱ke eds.26th EPS conf.on Controled Fus

14、ion and Plasma Physics, Maastrichtt 14 * 18 July, 1999.Contributed Papers.Vol.23J P521 52439 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:冷欠39 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:冷欠1.18氨.氢直流辉光清洗对杂质的清除实验崔成和

15、严东海梁雁许正华张炜刘建宏黄永康关鍍词直流辉光放电清洗(GDC)杂质器壁处理39 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:冷欠39 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:冷欠直流辉光放电清洗在现代聚变装理上应用 非常广泛，如jr60U,JET,TFTR等叭HV1M装 置是单层真空室结构，其材料为00Crl8Nil0Ti 不锈

16、钢和石墨孔栏，石墨覆盖整个真空室内壁 表面的6%,使用2套超高真空机组抽气。因 此真空室内可能有金属杂质Cr, Ni等，主要来 源于器壁；还含有杂质Si,B等，主要来源于器 壁的原位沉积处理，如硅化直流辉光放电清洗 (GDC)(SiH4 + He),硼化【GDCBe血 + He) 等。而目前运行的聚变装置中主要是来源于石 墨的低Z杂质C和0等)，对第一壁进行GDC (He), GDC(H2)等处理时也产生相应的HeH、 H2O等。由此可知，真空室器壁内表层的吸附 物大致为金属氧化物、非金属氟化物、碳氢化 合物、氢氧化合物等，为了更好地控制密度和 真空壁条件达到清除其杂质的目的，我们分别 用He

17、, H2对真空室器壁进行直流辉光放电清 洗叭在装置暴露大气后，或重新安装一些清洗 不彻底、不符合真空要求的测量线、探头等， 它们带入大量旳C, 0, N,有机物、水等；对 器壁进行原位沉积处理如硅化、硼化等也要带 人相应的杂质成分。这些杂质及相应化合物一 些经受热就会被释放岀来，而另一些则是在高 能量的粒子轰击下把不易抽走的物质分解形成 易抽走的产物。在HL-1M装置中我们利用GDC (He), GDC(He + H2)对真空室进行清洗，达到 了上述目的。GDC对真空室内的杂质的清洗可 以通过下列的反应式来描述：MO + H.MOH(1)M0H + HM + H20 t(2)卩C + YHrGHj(3)C + OwCO fCO + 0C021(5)H + OhHzO(6)H20 + CCO f + H2(7)HJ1M装置的直流辉光放电清洗系统由一 组电源给阳极供电，电源最大功率为2kVAo系 统阳极为直径6 mm的不锈钢管，清洗时阳极伸 人到真空室中心附近，采用去离子水冷却，整 个真空室壁为阴极。由安装在机组抽口处的质 谱探头和真空计来监测辉光放电清洗杂质的清 除效率和送气压强。利用2组PV-10压电阀分别 送人高纯氮和高纯氢。直流辉光筑清洗时在质3