J--TEXT托卡马克上偏压电极对2/1撕裂模作用研究

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托卡马克聚变装置中,大破裂的避免是一个至关重要的研究课题,而撕裂模控制则又是该课题中至关重要的一部分。目前已经存在多种控制撕裂模的手段,但均存在一定的局限性,因此需要探索更多的、可靠的控制撕裂模的手段。本论文以J-TEXT托卡马克的偏压电极系统为基础,探索2/1撕裂模对偏压电极的响应,开创性地利用偏压电极控制2/1锁模进程,并成功解锁锁住的撕裂模。
  首先,系统地研究了2/1撕裂模对偏压电极的响应。研究发现,该响应可以分为两个阶段:快速响应阶段以及缓慢响应阶段。其中,缓慢响应阶段与等离子体的动量输运过程有关,在该过程中,撕裂模的频率及幅度的变化与磁岛附近的等离子体的转动/转动剪切的变化有关。而在快速响应阶段,撕裂模频率的快速变化几乎与偏压电流的爬升同步。结果表明,撕裂模频率的快速变化与偏压电流大小、偏压电流的爬升时间有关。更详细的分析表明,撕裂模频率的快速变化延迟于偏压电流的变化约13μs,这更说明该响应与等离子体的动量输运无关。结合以前的实验结果,我们提出了一个新的机制:偏压电极改变边界等离子体的转动,进而通过环耦合的方式直接影响撕裂模频率。
  其次,开创性地利用偏压电极控制2/1撕裂模锁模进程并成功解锁锁住的2/1撕裂模。实验结果显示,正/负偏压电流能够降低/增加撕裂模频率,增加/降低极向磁扰动幅度,对撕裂模起到解稳/致稳作用,从而可以促进/抑制撕裂模锁模的发生。足够强的负偏压电流甚至可以完全避免2/1锁模的发生。甚至,当2/1锁模发生之后,加入足够的负偏压电流,可以解锁锁住的撕裂模,使锁住的磁岛恢复转动。结果表明,增加负偏压电流可以显著加快偏压电极解锁进程;而锁模幅度的增加则会减缓解锁进程。当偏压电流较小或者锁模幅度较大时,甚至导致锁模解锁的失败。分析表明,偏压电极的解锁进程与撕裂模的快速响应有关:足够的偏压电流会驱动3/1面附近局部等离子体和3/1模式旋转,从而通过模式耦合驱动2/1模式旋转。当m/n=2/1磁岛的相位被改变为不同于SRMP的相位时,锁模幅度会下降,导致锁模相位进一步改变,最终实现锁模解锁。
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