J-TEXT托卡马克中比压阿尔芬本征模的实验研究

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国际热核试验反应堆ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)将实现可控可持续的氘氚聚变反应,产生高能量的α粒子和中子。α粒子经过慢化加热背景等离子体,这个过程也称为自加热过程。慢化的α粒子和高能量粒子的自由能导致弱阻尼的阿尔芬本征模被激发。增长的阿尔芬本征模与α粒子和高能量粒子会发生非常可观的能量和动量交换,交换的时间尺度远小于α粒子的弛豫时间,这将可能导致理想中的自加热过程无法完成。此外,阿尔芬本征模与α粒子和高能量粒子之间的波粒共振作用通过波频率的变化将共振粒子的相位锁到波的相位上,其将引起高能量粒子和α粒子输运,造成大量的高能量粒子和α粒子损失,降低聚变反应效率,严重破坏等离子体的约束。损失的高能量粒子打到装置器壁上,容易烧坏第一壁,导致严重的器壁损毁。另一方面,慢化后的氦灰也可以通过与低频阿尔芬本征模的波粒共振作用从装置芯部排出。所以清楚地了解阿尔芬本征模的性质是ITER实验和未来磁约束核聚变装置成功的关键一环。  本文在J-TEXT和EAST托卡马克上开展了比压阿尔芬本征模(Beta-induced Alfvén Eigenmode,简称BAE)的实验研究。探索了两种激发BAE的方法,分别为外加共振磁扰动场(Resonant Magnetic Perturbation,简称RMP)和撕裂模。RMP系统产生的自由能在共振面的强度超过阻尼效应时即可以激发出BAE。若RMP强度超过穿透阈值,在有理面形成较大的锁模磁岛,会激发出磁岛激发的阿尔芬本征模(Magnetic Island-induced Alfvén Eigenmode,简称MIAE)。撕裂模激发BAE需满足磁岛的宽度在阈值范围内。  基于这两种激发方法,本文进一步详细研究和刻画了BAE和MIAE的特性。研究发现BAE和MIAE在实验上表现为磁扰动径向振荡的驻波形式的模式,当等离子体中出现磁岛时驻波在磁岛的O点和X点之间振荡,驻波节点位于磁岛的O点和X点处。由于BAE与磁岛的相位耦合关系,通过测量BAE的模结构来判断磁岛的相位是一种可行的方法。实验上BAE和MIAE的频率均与理论结果相符合,由于MIAE的频率与磁岛宽度成比例,所以测量MIAE的频率是一种得到磁岛宽度的简单方法。  通过分析实验,研究了RMP激发BAE和MIAE的机制。发现BAE由RMP的自由能驱动,与磁岛之间存在能量转换,且BAE被激发后逃逸电子的损失增加。MIAE由压强剖面梯度激发,磁岛宽度的增加使得磁岛分界面处的压强剖面梯度变大,导致MIAE的幅值相应增大,且频率被磁岛宽度调制。
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