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受控热核聚变(包括惯性约束和磁约束)的研究旨在满足人类的能源需求并减少其对于环境的损害。鉴于地球上材料的承受上限,未来大型磁约束聚变装置面临的最大挑战之一就是能量的耗散。如果磁约束装置采用托卡马克偏滤器位形,那么其能量耗散的最大的限制条件在于对偏滤器靶板材料的保护。在稳态运行时,流向靶板的热负荷需要通过各种辐射手段降低到qdiv<20 MW m-2。而伴随着高约束模式出现的,台基区peeling-ballooningmode引发的边界局域模(ELMs),将在瞬间(几百微秒到几毫秒)释放巨大的能量(可以高达台基约束能量的20%)。对于ELMs引发的瞬态热流,各种ELM缓解手段将被加以使用,以达到单次ELM释放能流(ε)ELM<0.5 MJ m-2。外加磁扰动作为目前唯一可以在低边界等离子体碰撞率、高约束模式下完全抑制type-Ⅰ ELMs的方法,一直是研究的热点,也是在建的未来实验堆ITER的主要ELM控制手段之一。除了对于ELM的控制,外加磁扰动的另一个典型特征在于,其撕裂边界的磁面结构造成的边界磁拓扑的改变,而这对于边界热流分布的影响是我们研究的一个重点。 以普朗克定律、热传导方程为基础的红外热像技术,是目前托卡马克实验中监测材料表面安全性的重要方法之一。在科研中使用的高时间、空间分辨率的红外诊断可以作为判定热负荷缓解效果的关键诊断。在通过不同手段施加扰动场之后,利用红外相机,我们观测到了由于边界磁拓扑的改变而产生的,偏滤器靶板上热负荷分布剖面的变化。这一物理现象加深了我们对通过外加磁扰动降低边界热流的物理机制的理解,同时,也对我们优化随之而来的边界热流分布提出了新的要求。在扰动场施加下在偏滤器靶板上出现的周期性动态的Pre-ELM structures不仅明显改变了inter-ELM期间边界热负荷的分布,而且其有规律的动态传播与边界等离子体参数的演化乃至ELM的触发可能存在着密切的关系。以固定极向相位、环向旋转的扰动场实验为未来聚变装置利用旋转扰动场在时间和空间上均匀分布稳态热流,防止材料局部过热提供了可行性依据。低杂波电流驱动作为新的产生扰动场的方法,同样可以诱发偏滤器靶板的打击线分裂现象,这一研究表明边界等离子体电流产生的磁扰动同样不可被忽视,在未来的研究中很可能需要将之与外加扰动场相耦合。 作为受控磁约束聚变反应运行中必不可少的一环——加料,其与边界磁扰动的适配性还缺乏实验研究。在低杂波诱发条状热负荷结构的基础上,通过氘丸注入或者超声分子束注入都可以引发边界热负荷的再分配。同样的利用不同的边界充气速率,在不同的等离子体碰撞率条件下(不同的等离子体对扰动场的屏蔽效应),我们得到了类似的结果,即原打击线与诱发的多峰热负荷结构对于充气的响应不同。在原打击线热负荷由于辐射增强而下降的情况下,多峰结构的热负荷反而上升。我们对加料和扰动场耦合的初步探索,凸显了这一问题研究的必要性。 本文给出的实验结果,有利于我们加深对于扰动场缓解边界热流的理解,同时为我们进一步优化热负荷分布提供了可行性依据。