【摘 要】
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面向高参数、高功率、长脉冲等离子体运行,偏滤器靶板热负荷峰化严重是ITER以及未来磁约束聚变堆亟待解决的关键问题。大量研究表明,未来聚变堆偏滤器靶板热负荷峰值将远超现有材料承受水平,而且等离子体电流越大,刮削层热衰减长度越小,靶板热负荷峰化越严重。因此,如何实现热负荷峰化程度与等离子体电流之间的解耦,是解决靶板热负荷峰化问题的关键。相较托卡马克极向偏滤器位形而言,仿星器磁岛偏滤器位形与等离子体电流
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面向高参数、高功率、长脉冲等离子体运行,偏滤器靶板热负荷峰化严重是ITER以及未来磁约束聚变堆亟待解决的关键问题。大量研究表明,未来聚变堆偏滤器靶板热负荷峰值将远超现有材料承受水平,而且等离子体电流越大,刮削层热衰减长度越小,靶板热负荷峰化越严重。因此,如何实现热负荷峰化程度与等离子体电流之间的解耦,是解决靶板热负荷峰化问题的关键。相较托卡马克极向偏滤器位形而言,仿星器磁岛偏滤器位形与等离子体电流的关联性较弱,靶板热负荷分布更加均匀,同时也更容易进入偏滤器的稳定脱靶运行,因而有望成为解决靶板热负荷峰化问题的有效手段之一。基于磁岛偏滤器的上述优势,将其引入到托卡马克中开展相关研究,并探索其在托卡马克中的应用,具有十分重要的意义。本论文在德国W7-X仿星器和中国J-TEXT托卡马克上开展了磁岛偏滤器位形及其靶板热负荷分布优化的模拟与实验研究。在W7-X上,借助三维平衡求解程序HINT,研究了不同磁场位形下等离子体三维平衡响应对磁岛偏滤器磁拓扑结构的影响,发现了等离子体比压效应具有强烈的磁场位形依赖关系,其一方面能增强标准位形、高磁镜比位形以及高旋转变换位形的边界磁力线随机化程度,另一方面能促进低旋转变换位形边界n/m=5/6（n、m分别为磁岛的环向与极向模数）磁岛的自愈效应。通过对比不同等离子体压强剖面下的三维磁拓扑结构,发现了等离子体边界随机化及磁岛自愈效应与体平均比压的依赖关系更加明确。同时还以W7-X放电实验为例,结合模拟与实验研究,首次揭示了等离子体环向电流能够降低边界磁力线随机化程度。在研究靶板热负荷分布过程中,引入了基于各向异性扩散的蒙特卡洛输运模型,提高了靶板热负荷评估的准确性与便捷性,同时结合三维平衡磁场计算与靶板热负荷评估,证实了等离子体比压效应能够增大靶板热负荷沉积面积,并从物理机制上解释了实验中靶板湿区面积与流入刮削层功率成正比的原因。上述研究结果证明了磁拓扑结构与等离子体输运能够对靶板热负荷分布产生重要影响。在J-TEXT上,利用现有的共振扰动场对m/n=3/1磁岛偏滤器位形进行了预研实验,探索得出了托卡马克磁岛偏滤器位形的构建方案,即通过提高等离子体电流,降低边界安全因子,使得边界磁岛与偏滤器靶板相切,以此来构建磁岛偏滤器位形。通过3/1磁岛激发阈值实验研究,发现了现有扰动场线圈的磁场谱型不纯,容易激发2/1锁模,不利于3/1磁岛偏滤器位形运行区间的拓展。根据J-TEXT磁岛偏滤器位形的建设需求与预研实验中存在的问题,本文综合选定了m/n=4/1为磁岛偏滤器线圈的主导磁场模数。为提高线圈磁谱的纯度,本文首次提出了基于磁力线倾角布置环向非对称鞍形线圈的优化设计方案。在完成磁岛偏滤器线圈的工程安装与实验测试后,本文对4/1磁岛偏滤器位形的形成进行了探索,初步发现了4/1磁岛偏滤器位形具有降低靶板热负荷峰值的作用。本文以磁岛偏滤器为研究主体,在W7-X仿星器上研究了等离子体三维平衡响应对磁岛偏滤器的磁拓扑结构以及靶板热负荷分布的影响,为W7-X实现高参数、长脉冲等离子体运行提供了有力支撑,并为未来仿星器聚变堆的设计提供了重要参考;在J-TEXT托卡马克上设计了磁岛偏滤器线圈,验证了托卡马克形成磁岛偏滤器位形的可行性,为未来托卡马克聚变堆偏滤器靶板热负荷分布优化提供了新方案。此外,本文研究跨越仿星器和托卡马克两类磁约束装置,对未来聚变堆先进磁场位形优化具有重要的参考价值。
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