新型超声分子束注入器研制和团簇特性的研究

为实现国际热核聚变实验反应堆（ITER）对超声分子束注入（SMBI）燃烧等离子体边缘，向台基的顶部提供较高的粒子源的要求，实现边缘加料对台基密度和约束的控制能力以及对密度剖面的控制能力，必须在原有SMBI研究的基础上研制新型注入器，建立分子束和团簇性能测试平台。本项目的研究目标即致力于提高分子束和团簇加料的注入深度的研究，新注入器可在强磁场区域运行，发射纳米量级燃料团簇，穿越燃烧等离子体的磁分界面增加台基压强。采用飞行时间法测量新注入器发射的分子束和团簇的平均速度以及速度的角分布；用飞行时间法和激光瑞利散射法测量团簇质量分布，团簇尺寸与燃料气体温度、气压、阀门孔径和喷嘴形状的关系。采用激光马赫-曾德干涉法测量发射气体密度沿喷射方向和垂直方向的分布与团簇尺寸的关系。托卡马克磁场曲率和梯度漂移对强场侧和弱场侧注入效果的实验结果与模拟计算的比较。

本基金研究内容基本按申请书研究计划进行，未做大的调整。完成主要研究内容和在硬件建设方面主要有：.1.研制新型超声分子束注入器设计并制作了10只半角6°至25°、“喉道” 直径0.5mm六个规格的喷嘴，选用Vespel （Polyimide） 塑料作为注入器poppet材料，解决了团簇注入器在低温高背压条件下的密封问题。使用不同喷嘴的注入器，在束流注入等离子体后的行为有明显的差异，超声分子束阀门与合适的喷嘴配合，快粒子成分增加，这部分快粒子可穿过HL-2A装置等离子体磁分界面。.2.完成了分子束团簇束性能测试平台的建立，该平台装配有3套1600升/秒分子泵机组，用于抽H2和D2气体。在真空系统完成组装后的第一次抽真空，真空度达到3.6x10-5Pa。.采用新型注入器在HL-2A装置物理实验上取得进展，主要有以下三点：.1）团簇注入HL-2A装置等离子体后，边缘密度随时间的变化特征与弹丸注入十分相近，磁分界面附近的密度梯度ne远大于普通送气后的ne 。.2）在较低加热功率条件下，采用超声分子束注入可直接触发HL-2A装置等离子体L-H转换， L-H转换功率降低10%左右。.3）SMBI缓解HL-2A装置H-模放电中的边缘局域模（ELM），取得结果，团簇注入缓解效果更加显著。