馮北濱 姚良驊 陳程遠 季小全 鐘武律 石中兵 余德良崔正英 宋顯明 段旭如

(核工業(yè)西南物理研究院聚變科學所，成都 610041)

(2012年6月12日收到;2012年7月25日收到修改稿)

1 引言

磁約束高溫等離子體高約束運行模式于1982年在ASDEX裝置上首先被發(fā)現(xiàn)[1]，這種被稱為H模的等離子體放電是未來ITER(國際熱核聚變實驗堆)的主要運行模式.雖然H模已實現(xiàn)了三十年，人們在理論模擬和實驗等方面都取得了大量的研究成果，但對L-H轉(zhuǎn)換機理，以及轉(zhuǎn)換所需的最低功率即所謂的功率閾值與等離子體放電參數(shù)之間的關系還不是很清楚，對機理的理解也存在多種模型，沒有系統(tǒng)的理論支持.現(xiàn)在對ITER閾值功率的估算均依賴于一些基于現(xiàn)有裝置實驗數(shù)據(jù)獲得的H模閾值功率定標率，但因參數(shù)關系的不確定性，對ITER閾值功率的估算仍存在很大的不確定性，這增加了ITER運行初期加熱功率有限條件下實現(xiàn)H模的難度.所以在現(xiàn)有裝置上研究如何降低L-H轉(zhuǎn)換的閾值功率并準確給出閾值功率與放電參數(shù)之間的依賴關系十分重要和緊迫.

從實驗上看，H模閾值功率不僅與加熱功率密切相關，還與等離子體表面積、位形、磁場強度、電子密度以及等離子體邊緣粒子再循環(huán)等因素有關.在H模形成過程中，等離子體邊緣密度分布突然變陡，形成一個邊緣輸運壘，這是等離子體L-H轉(zhuǎn)換的重要特征之一.因此，在L-H轉(zhuǎn)換閾值功率研究中，人們主要關注邊緣等離子體參數(shù)在L-H模轉(zhuǎn)變過程中的變化.在DIII-D裝置上，曾采用彈丸注入直接觸發(fā)H模，方法是將進入DIII-D裝置真空室的彈丸打碎，使其沉積在等離子體歸一化半徑ρ≥0.9附近，在等離子體邊緣產(chǎn)生較大的密度和溫度擾動并發(fā)生L-H轉(zhuǎn)換.其實驗研究表明，為了實現(xiàn)L-H轉(zhuǎn)換，需要淺表彈丸注入.淺表彈丸注入使L-H模轉(zhuǎn)換的閾值功率降低了29%[2].近期，HL-2A裝置上實驗結果表明，產(chǎn)生L-H轉(zhuǎn)換的功率閾值與超聲分子束注入[3](SMBI)有關.

HL-2A裝置在大功率電子回旋共振加熱(ECRH)與中性束注入(NBI)條件下于2009年首次在國內(nèi)實現(xiàn)了H模放電[4].HL-2A裝置上H模放電的一個特點是大多采用了SMBI進行補充加料.SMBI有很多類似微小彈丸淺表注入的特性，相對注入深度比普通送氣(GP)深，加料效率高，邊緣再循環(huán)低等特點.所以，本文主要研究了SMBI觸發(fā)L-H轉(zhuǎn)換等離子體的時間演化特征、L-H轉(zhuǎn)換功率以及H模等離子體的約束性能，分析了HL-2A裝置上SMBI觸發(fā)L-H轉(zhuǎn)換機理，并通過大量實驗數(shù)據(jù)的對比給出了GP與SMBI分別實現(xiàn)H模的L-H轉(zhuǎn)換功率.

2 實驗裝置與補充加料系統(tǒng)

HL-2A裝置是一個具有雙零偏濾器位形的中型托卡馬克裝置，大小半徑分別為R=1.65 m和a=0.4 m，一般運行在下單零偏濾器位形[5].H模放電期間，典型等離子體參數(shù)為：環(huán)向場BT=1.2—1.4 T，等離子體電流Ip=150—180 kA，中心弦線平均密度ne(0)=1—2.5×1019m-3，Ip平頂時間大于1000 ms.輔助加熱系統(tǒng)主要是2 MW的ECRH[6]和1 MW NBI[7].

圖1 HL-2A裝置加料系統(tǒng)布置示意圖

HL-2A裝置加料系統(tǒng)如圖1所示.SMBI，GP和彈丸注入(PI)被安排在同一窗口水平方向注入，方便對比三種加料方式對等離子體的影響.SMBI系統(tǒng)主要由高壓氣源、脈沖電磁閥(General Valve Series 99)、低溫冷阱、電磁閥驅(qū)動器、脈沖時序控制器和真空抽氣系統(tǒng)組成.超聲分子束束流主要由鋼瓶中的高壓氘氣通過噴嘴向真空室噴射出的自由射流形成，粒子流量最高可達5×1021/s，束流速度為1400 m/s，通過中平面直徑為350 mm的圓形窗口水平注入HL-2A裝置等離子體中.注入口距離等離子體邊緣1280 mm，注入深度在r/a=0.8附近[8].HL-2A裝置上的GP工作閥門為PV-10壓電晶體閥，通過控制閥門電壓及閥門開啟時間來控制注入氣量.閥門的工作電壓可設置在0—120 V之間，閥門開啟時間小于2 ms，進入等離子體中的氣量一般不小于1.33×10-2Pa·m3s-1.工作氣體通過長L=1000 mm，直徑Φ=30 mm的不銹鋼引導管與裝置真空室連接，PV-10壓電晶體閥打開時，燃料氣體以擴散的方式進入等離子體.PI系統(tǒng)[9]與SMBI，GP安裝在裝置的同一窗口上.

3 實驗結果

3.1 相同加熱功率下SMBI對L-H轉(zhuǎn)換的影響

11329 次放電(灰色)是HL-2A裝置一次典型的H模放電，與11327次L模放電(黑色)對比，可發(fā)現(xiàn)SMBI在L-H轉(zhuǎn)換中的作用，如圖2所示.兩次放電等離子體電流均為150 kA，11327次放電500 ms時投入NBI，加熱功率PNBI=680 kW;放電至610 ms時投入ECRH，PECRH=660 kW.本次放電采用GP密度反饋控制方式，控制信號為GP所示.等離子體密度在ECRH投入前一直維持在HL-2A裝置上H模最易觸發(fā)的密度范圍1.5×1019m-3附近，當ECRH投入后，等離子體密度受到ECRH使粒子外排(pump-out)現(xiàn)象的影響而有所下降.盡管密度反饋系統(tǒng)采用了較強的GP進行補充加料，但等離子體密度仍沒達到設定值.盡管此次放電的加熱總功率Ptot=POh+PNBI+PECRH=1370 kW，已遠大于HL-2A裝置實現(xiàn)L-H轉(zhuǎn)換的加熱功率平均值，但由于密度偏低，降低了等離子體對輔助加熱功率的吸收，特別是對NBI功率的吸收.從后面的密度分布測量也觀察到，GP加料不容易建立起有利于L-H轉(zhuǎn)換的邊緣密度梯度.同時，pump-out效應的直接效果是使真空室內(nèi)中性氣體壓強(P)增加一倍左右，粒子再循環(huán)大大增強，這或許是阻礙此次放電L-H轉(zhuǎn)換的重要的原因之一.因此，11327次放電始終處于L模放電，整個放電過程持續(xù)1300 ms.

11329 次放電，等離子體電流、NBI加熱功率、ECRH功率大小等都與11327次相當，加熱總功率Ptot=POh+PNBI+PECRH=1370 kW，與11327次放電一致，不同之處是補充加料過程中采用了SMBI技術.11327次放電全程是采用GP密度反饋控制方式，而11329次放電則分為兩段：首先是GP，密度控制在1.5×1019m-3;然后在600 ms，ECRH投入前開始采用SMBI加料，同時停止GP密度反饋.從真空室內(nèi)中性氣體壓強P信號看，SMBI投入后，真空室內(nèi)中性氣體壓強降低了約50%，說明粒子再循環(huán)大大降低，再循環(huán)低不僅有利于控制等離子體密度，實現(xiàn)長脈沖運行，對實現(xiàn)L-H轉(zhuǎn)換也起著重要作用[10].此次放電ECRH投入時刻為700 ms，等離子體密度雖然仍受pump-out效應的影響，但由于SMBI粒子穿透深度和加料效率高于普通送氣[11]，克服了pump-out效應帶來的等離子體粒子損失，密度基本保持在預設值，沒有大的變化.此密度條件十分有利于等離子體對輔助加熱功率的吸收，有利于H模邊緣輸運壘的建立.因此，在超聲分子束第7個脈沖注入后的733 ms發(fā)生了L-H轉(zhuǎn)換，等離子體密度由1.4×1019m-3上升到2.0×1019m-3，儲能W由17 kJ增加到27 kJ，H模持續(xù)時間近200 ms.

圖2 #11327和#11329放電波形圖 Ip為等離子體電流;ne為電子密度;W為儲能;PECRH為電子回旋加熱功率;PNBI為中性束加熱功率;SMBI為分子束注入;GP為脈沖送氣;P為中性氣體壓強;Da為偏濾器Da

3.2 SMBI降低L-H轉(zhuǎn)換功率

受DIII-D裝置上彈丸淺表注入觸發(fā)L-H轉(zhuǎn)換、降低閾值功率的實驗結果啟發(fā)，我們嘗試采用SMBI來降低HL-2A裝置L-H轉(zhuǎn)換功率.下面以15884(黑色)和15885(灰色)相鄰兩次H模放電為例加以說明，如圖3所示.15884次放電與15885次放電等離子體宏觀參數(shù)基本一致，等離子體電流165 kA，密度1.2×1019m-3，磁場1.33 T.但輔助加熱功率相差較大，其中15884次放電輔助加熱功率約為1400 kW，而15885次放電輔助加熱功率約為800 kW，總加熱功率減少了約40%.盡管這兩次放電都實現(xiàn)了H模放電，但形成L-H轉(zhuǎn)換的原因不同.15884次放電ECRH投入時間為330 ms，功率850 kW;NBI投入時間為360 ms，功率550 kW.此次放電采用GP密度反饋使等離子體密度控制在1.3×1019m-3.從圖中可看出，530 ms發(fā)生了L-H轉(zhuǎn)換，H模持續(xù)近360 ms，整個等離子體放電持續(xù)1360 ms.

15885 次放電，ECRH功率僅為250 kW，由于輔助加熱功率的降低，SMBI注入前未發(fā)生L-H轉(zhuǎn)換，這說明實現(xiàn)H模所要求的L-H轉(zhuǎn)換條件并不具備.放電進行到650 ms時，注入三個SMBI脈沖，脈沖寬度4 ms，背壓2.0 MPa.第一個脈沖注入等離子體后，659 ms發(fā)生了L-H轉(zhuǎn)換.將15885次放電在630—690 ms展開，如圖4所示.從安裝在與SMBI注入口同一極向截面的Da信號(圖中Da)可以看出，在發(fā)生L-H轉(zhuǎn)換的時刻，第一個SMBI脈沖尚未結束，等離子體密度由1.3×1019m-3快速上升到1.8×1019m-3，建立起適合L-H轉(zhuǎn)換的臺基密度，緊接著在659 ms進入一個2 kHz的振蕩階段，這是一種在臨界加熱功率下，最后轉(zhuǎn)變到穩(wěn)定的H模之前能在Da信號上觀察到的高頻振蕩，即所謂的高頻顫動H模[12]，680 ms時刻進入穩(wěn)定的H模.SMBI起到觸發(fā)L-H轉(zhuǎn)換的作用，H模放電持續(xù)到波加熱功率結束.

圖3 #15884和#15885放電波形圖Ip為等離子體電流;ne為電子密度;W為儲能;PECRH為電子回旋加熱功率;PNBI為中性束加熱功率;SMBI為分子束注入;GP為脈沖送氣;P為中性氣體壓強;Da為偏濾器Da

圖4 #15885放電630—690 ms展開 ne，密度;Da,div，偏濾器Da;Da，分子束注入口Da;SMBI，分子束注入

為了進一步研究SMBI在L-H轉(zhuǎn)換過程中的作用，我們在15253次放電中的480，650和780 ms分別進行GP，SMBI和PI加料，研究這三種補充加料引起的等離子體邊緣密度分布演化過程，如圖5所示.由微波反射測得的等離子體邊緣不同徑向位置密度隨時間演化(圖5(a))以及這三種加料完成后等離子體邊緣密度分布的變化(圖5(b))可以看出，SMBI與PI加料后，等離子體邊緣密度隨時間的變化特征十分相近，均表現(xiàn)為密度上升快，Δne增幅較大，并且都比GP大25%—30%，而GP加料后，等離子體邊緣密度隨時間的演化相對緩慢.SMBI加料后與GP加料后的等離子體邊緣密度分布也明顯不同，而與PI加料后的等離子體邊緣密度分布基本一致.其主要特征是磁分界面附近的密度梯度?ne遠大于普通送氣后的?ne，這十分有利于形成L-H轉(zhuǎn)換的邊緣壓強梯度，是粒子輸運壘形成前必需具備的壓強梯度，也是SMBI能夠觸發(fā)L-H轉(zhuǎn)換的重要原因之一.

圖5 GP，SMBI和PI注入后邊緣密度隨時間的演變(a)以及邊緣密度分布(b)

圖6 L-H轉(zhuǎn)換時密度與加熱功率的關系

我們選擇HL-2A裝置上近百次等離子體放電條件基本相同、放電序號相鄰、分別由GP和SMBI補充加料實現(xiàn)L-H轉(zhuǎn)換的放電，統(tǒng)計分析了加熱總功率與等離子體密度的關系，如圖6所示.圖中黑色倒三角為GP實現(xiàn)L-H轉(zhuǎn)換的放電，灰色方框是SMBI實現(xiàn)L-H轉(zhuǎn)換的放電.從圖中可以看出，在一定的運行參數(shù)范圍內(nèi)，HL-2A裝置通過SMBI進行補充加料比GP更容易實現(xiàn)L-H轉(zhuǎn)換，SMBI實現(xiàn)H模的最低轉(zhuǎn)換功率比GP實現(xiàn)H模的最低轉(zhuǎn)換功率降低了約10%.

4 結論

SMBI加料后，粒子沉積位置一般在r/a=0.8附近，這使得邊緣ne，Te發(fā)生了顯著變化，如果說是邊緣等離子體參數(shù)決定了L-H轉(zhuǎn)換閾值功率，那么SMBI使邊緣ne上升對形成邊緣輸運壘可能是非常關鍵的一步.在只有歐姆加熱的等離子體中，SMBI注入后，可以觀測到電子密度快速上升后還存在一個慢上升的過程.此時，SMBI閥門已經(jīng)關閉，監(jiān)測加料的Da信號也降至較低水平，但是密度還在繼續(xù)上升，線平均密度和監(jiān)測再循環(huán)的Ha之比上升，顯示等離子體的約束有改善的跡象[13].在HL-2A裝置上，ECRH投入后，等離子體密度常常受pump-out效應的影響而降低，采用SMBI能夠彌補由pump-out效應所帶來的粒子損失，其主要原因是SMBI加料比GP加料粒子進入等離子體更深，效率更高.這有利于在等離子體邊緣建立起較大的邊緣密度梯度，有利于邊緣輸運壘的形成，在相對低的加熱功率下發(fā)生L-H轉(zhuǎn)換.DIII-D裝置上由彈丸注入觸發(fā)H模實驗，其L-H轉(zhuǎn)換是在彈丸注入后12 ms產(chǎn)生的，而彈丸消融時間一般小于1 ms.HL-2A裝置15885次放電在SMBI過程中產(chǎn)生高頻顫動H模，隨后進入穩(wěn)定的H模，這說明SMBI起到了一個觸發(fā)L-H轉(zhuǎn)換的作用.在SMBI期間，實驗也觀察到中性氣體壓強相對較低，表明器壁粒子再循環(huán)比普通送氣低.與GP相比，更少的注入粒子被器壁吸附，使得再循環(huán)水平降低，減小了由于再循環(huán)粒子而引起的功率損失，裝置再循環(huán)低不僅有利于控制等離子體密度，對降低L-H轉(zhuǎn)換閾值功率也起著重要作用.實驗表明，SMBI是HL-2A裝置上降低L-H轉(zhuǎn)換閾值功率的有效方法，為研究降低托卡馬克裝置L-H轉(zhuǎn)換閾值功率提供了一種可能的途徑.

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