螺旋性注入环（HIT—Ⅱ）上的电流驱动实验

A.J.Redd 白云 晨亮

文章摘要:螺旋性注入环[HIT—Ⅱ：T．Jarboe et al.，Phys.Plasmas5，1807(1998)]是一个能够进行感应(欧姆)和同铀螺旋性注入(CHI)电流驱动的小环径比托卡马克。虽然HIT—Ⅱ装置的尺寸是中等的(大半径R＝0．3m，小半径a＝0．2m，轴上环向场达到0．5T)，但已证明分别采用CHI或感应都能达到200kA的环向等离子体电流。环电压、边界通量和等离子体平衡可通过实时通量反馈系统控制。在电流斜升和衰减期间HIT—Ⅱ欧姆等离子体呈现出重连事件，这些事件在保持磁螺旋性的同时可弛豫电流分布。已研究了一种采用双零偏滤器(DND)边界通量的新的CHI等离子体运行工况。DND CHI等离子体显示出良好的逐次放电再现性，低的杂质含量，吸收器区的最小的缩减电流以及与大闭合通量芯部区[EFIT:L.Lao et al.,Nucl.Fusion25，1611(1985)]一致的EFIT重建平衡。HIT—Ⅱ DND CHI放电在外中平面也显示出连续的n＝1模，实验上这种模与电流分布弛豫有关。已对螺旋性注入电流驱动的详细解释进行了研究，研究结果与HIT和HIT—Ⅱ放电的实验观察结果一致。按照此机理，n＝1模结构的非对称变形通过发电机作用在芯部等离子体产生电流驱动，从而弛豫CHI驱动的电流分布。
文章主题:螺旋性注入环 HIT—Ⅱ 电流驱动实验 电流分布弛豫 环向等离子体电流 边界通量 双零偏滤器 托卡马克

文章内容：螺旋性注入环(.1)上的电流驱动实验..等着白云译晨亮校螺旋性注入环【-:.1.,.5,87(1998)]是一个能够进行感应(欧姆)和同轴螺旋性注入()电流驱动的小环径比托卡马克.虽然-装置的尺寸是中等的(大半径=0.3,小半径口=0.2,轴上环向场达到0.5),但已证明分别采用或感应都能达到200的环向等离子体电流.环电压,边界通量和等离子体平衡可通过实时通量反馈系统控制.在电流斜升和衰减期间-欧姆等离子体呈现出重连事件,这些事件在保持磁螺旋性的同时可弛豫电流分布.已研究了一种采用双零偏滤器()边界通量的新的等离子体运行工况.等离子体显示出良好的逐次放电再现性,低的杂质含量,吸收器区的最小的缩减电流以及与大闭合通量芯部区【:.1.,1.25,1611(1985)]一致的重建平衡.-放电在外中平面也显示出连续的/,=1模,实验上这种模与电流分布弛豫有关.已对螺旋性注入电流驱动的详细解释进行了研究,研究结果与和-ⅱ放电的实验观察结果一致.按照此机理,/,=1模结构的非对称变形通过发电机作用在芯部等离子体产生电流驱动,从而弛豫驱动的电流分布.关键词螺旋性注入环(-1)电流驱动电流分布弛豫发电机作用引言小环径比或球形托卡马克与大环径比装置(即,环径比≥2)比起来有几个吸引人的特征.减小环径比能减小托卡马克的物理尺寸,从而通常能降低建造装置的投资费用.而且,依照理论,磁流体动力学(皿)稳定性阈值随环径比的减小而增大,从而便于在没有增加等离子体终止破裂敏感性的情况下改善等离子体性能.这种增强的稳定性意味着球形托卡马克()中可安全达到的稳态归一化压强()高于大环径比装置中的压强,从而为高性能运行工况提供更好的安全限度.这些特征表明,基于的聚变堆设计在经济上可能比常规托卡马克设汁更可靠,值得仔细研究.不管环径比大小,稳态托卡马克运行的最初技术障碍是有效地非感应驱动环向等离子体电流.这个问题可重新陈述为需要增大托卡马克等离子体的磁螺旋性,因为总的螺旋性能测量环向通量和极向通量之间的联系,所以在给定的电流分布情况下,,,.(其中,是产生环向场的电流,,.是环向等离子体电流).幸运的是,磁化等离子体在保持螺旋性的同时往往向最低能量的磁位形弛豫….这种趋势表明,如果在一个实验上方便的位置注入螺旋性,电流分布弛豫将确保随着等离子体电流,.的增大增大的螺旋性将受到影响.同轴螺旋性注入()是一种电流驱动技术,其采用的方法是:在托卡马克等离子体边缘在磁力线上驱动电流;当电流密度分布弛豫时,在等离子体芯部驱动环向电流叫】.螺旋性注入环(1)规划的目标是开发有效驱动环向等离子体电流的技术..ⅱ装置是一个,它用或感应(欧姆)电流驱动能产生和维持托卡马克等离子体,并已证明采用任何一种方法都能达到200的环向电流.在-ⅱ欧姆放电中,快速的平衡变化事件在电流斜升和电流衰减期间均能观察到.这些事件类似于在以往实验中观察到的"内部重连事62件"],它们可理解为快速螺旋性保持的电流分布弛豫事件.已探索了一种采用非平衡双零边界通量的新的-1等离子体运行工况,发现与单零放电相比大大地改善了等离子体性能.这些改善包括以下几个方面:吸收器间隙处缩减电流的减小;杂质辐射总水平较低;在线辐射中明显的较高杂质电荷态;以及更好的逐次放电再现性.放电的重建表明,存在一个大的闭合通量芯部,在此芯部有一个薄的真空层将驱动的公开磁场线与导电壁分隔开.基于等离子体的理想和电阻稳定性分析,该真空区的存在能去稳:1外扭曲模.这种用空心电流分布的自由能驱动的:1扭曲模通过发电机作用能驱动芯部环向电流,从而消耗分布梯度的自由能.这种发电机电流驱动机制与-1放电的观察结果一致.-放电包括一系列放电.在这些放电中,注入器电极的极性是相反的.从而产生的阳极中心柱放电其电流与更典型的阴极中心柱等离子体相当.2实验装置及诊断-ⅱ球形托卡马克的大半径为0.3,小半径为0.2,几何轴上的环向场达0.5,等离子体约束区的拉长度为1.7.真空室由紧密接合的喷钨不锈钢壳组成,这些壳电绝缘于涂上石墨的不锈钢中心柱(图1).这种同轴导体布置概念上类似于同轴等离子体枪,如在文献1中所描述的那样.把一ⅱ装置的锥形端称做注入器,因为该端在运行期间作为同轴等离子体枪有效地运转,将边缘驱动的等离子体注入到约束区中.相应地,把非锥形端称做吸收器.一对小等离子体源位于注入器区的两个孔处,为放电和欧姆放电提供预电离的"种子"等离子体.通过中心柱或注入器区的壳喷气可提供附加气体.对于这里介绍的所有等离子体,工作气体是氘.在偶尔通宵烘烤到100以上的情况下,通过钛除气和氦辉光放电可实现壁锻炼.-ⅱ不锈钢真空室拥有几百微秒的磁渗透时间,因此需要一个主动控制系统维持-ⅱ等离子体,持续时间以毫秒计算.该控制系统由28个极向场线圈组成;其中4个位于中6图-装置示意图用口表示28个极向场()线圈中各个线圈的位置和形状.每个线圈旁边的是相应的通量环,它用于通量反馈系统.也标示了一些表面磁三轴探针的位置;注意.在不同表面位置总共有56个三轴探针.1——'线圈架;2——环形绝缘体(每个端点一个);3——变压器线圈;4——吸收区;5——平衡线圈;6——内导体;7——约束区;8——表面探针;9——锥形注入区;——薄壳.63心柱内,4个位于外壳上.每个线圈由一个电源单独控制,这样电源便可调节线圈电流,因此用邻近的通量环测得的极向通量与预先拟定的要求相符.能调整这些要求功能以产生特殊的边界通量位形(例如,偏滤器)或共同地施加一个环电压.对极向场电源电容器组的限制允许贮存仅30?的欧姆通量(双翼为60?)..ⅱ中的欧姆等离子体一般以4环电压的短周期开始,随后是低压电流斜升,用完了剩余的欧姆通量.另一方面,通过把注入器用作同轴等离子体枪可产生和维持等离子体:在有强环向场情况下极向通量连接注入器中的内电极和外电极;高压电容器组驱动电极之间的电流,从而形成放电等离子体并将它推入约束区;一旦这个形成的电容器组用完,那么就由另一个电容器组提供附加保恃电流.由于引入了