The enhanced transport of trapped energetic ions (TEIs) in the presence of resonant interactions between trapped fast ions and a rotating magnetic island is investigated within a drift-kinetic framework. Gyro-orbit banana center model equations of resonances between the island rotation, the bounce motion of trapped fast ions, and their precession frequency (poloidal precession and precession in the helical direction) are constructed. There are two solutions for resonances in phase space for different mode numbers, with only one solution having low-energy resonant lines (<100 keV); the other has not only low-energy resonant lines but also high-energy lines (≥100 keV). Island rotation plays an important role in the low-energy region, especially near the trapped-passing boundary. The precession frequency is more important when resonances occur in the high-energy area. Thus, the effect of islands on TEI transport in a low-energy region is the focus of this paper. Transport fluxes caused by collisions, resonances, and symmetry breaking induced by an island are obtained. We divide transport fluxes into two types: Γc arising from magnetic drift and Γb arising from the island rotation. There is a discontinuity in Γc with different island widths near the island separatrix. On the right-hand side of the (m = 2, n = 1) rational surface, Γc is more important than Γb, and at the plasma boundary, the flux due to drift can suppress Γb, which makes fast ions move toward inner plasma. On the left-hand side of the rational surface, Γb is dominant. When the island width is larger than a certain threshold, the fluxes oscillate, and Γb is far larger than Γc.
The mismatch of the operating parameters of the NBI ion source of the nuclear fusion experimental device will lead to the instability of the plasma, and maybe cause breakdown in the ion source, which will limit the operation of the NBI long pulse and high power. To stabilize the plasma in the NBI ion source, data from multiple rounds of experiments along with a priori information obtained from a predictive plasma model are used. For the problem of low accuracy of the existing key-values extraction algorithms for experimental data, the OPTICS (Ordering Point To Identify the Cluster Structure) algorithm is used to improve the accuracy of the experimental data extraction, and provide a reference for the failure analysis during the experimental operation. A method based on self-organizing feature map (SOM) and BP neural network is adopted. By training historical data, the pulse width of the NBI ion source beam extraction process is estimated under given parameters to adjust the operating parameters.
Water- cooled ceramic breeder (WCCB) blanket is one of the candidate blanket for China Fusion Engineering Test Reactor (CFETR) independently developed by China Institute of plasma physics. The first wall (FW) is a component of WCCB, which directly faces the plasma. FW contains flow channels and has complex shape structure, therefore, it is difficult to complete the full-scale manufacturing by one kind of welding process. Hence, in the development process, the components of FW are first connected by hot isostatic pressing (HIP), and then connected by electron beam welding (EBW), so as to form the full-scaled FW connection. In this paper, the EBW process of FW was studied. The results showed that when the electron beam current was 50 mA and the focus was on the surface, the welded joint with 20 mm penetration and good shape can be formed. After the one time welding and the twice welding (overlapping first welding) of the weld, the tensile test fracture occurred in the base metal. The impact energy of the one time welding was 13 MPa, 18 MPa, and 21 MPa, respectively, and the impact energy of the twice welding was 19 MPa, 20 MPa, and 51 MPa, respectively. The microstructure of the joint was composed of delta-ferrite and lath martensite. When the weld penetration was increased to 50 mm, the lower the focus is, the smaller the porosity at the bottom of the weld is. Similarly, when the lower focus was used, the porosity at the bottom of the weld disappeared basically; The EBW test on the scaled FW with W/Cu sheets showed that when the we took the test pieces with the W-Cu sheet spacing is 4 mm, the welded joint with good surface shape and no internal defects can be formed without scanning deflection electron beam welding, and ultrasonic testing showed that EBW does not affect on the HIP interface. This provides a favorable basis for the future test of equal ratio FW test piece and the welding of actual FW.
在HL-2A装置等离子体放电参数下,模拟研究了局部反磁剪切位形时(存在具有同一安全因子值的多个有理面时)高能量粒子(EP)激发的 m/n=2/1 的高能量粒子模(EPM),并给出了含有 EP 驱动和环耦合效应的m/n>1 模式的本征值方程.通过数值求解本征值方程,计算了径向模结构,并模拟了 EPM 增长率和模频率对于EP比压(βh)的依赖关系.计算结果表明,局部反磁剪切位形下捕获EP可以驱动全域的EPM不稳定性,其特征类似于m/n=2/1 类鱼骨模,这为相关实验提供了理论解释.通过研究EP参数对模式的影响,发现随着粒子径向分布的平化,模式趋于稳定;当束注入能量增加时,强的阿尔芬连续谱阻尼将导致不稳定性增长率的减小.
利用托卡马克集成模拟与实验分析平台(OMFIT)开展了HL-3 装置ECCD驱动效率的研究,分析了ECCD系统发射天线在等离子体环向与极向所成的角度、等离子体密度、电子温度和磁场对驱动电流大小和位置的影响.研究发现,环向角和极向角范围分别为185°～200°、85°～105°时,ECCD电流驱动效率比较高,驱动电流可以覆盖到归一化半径0.4～0.6.研究还发现,电子温度显著影响ECCD电流驱动效率,温度越高驱动电流越大;在弱场侧磁场强度(1.9～2.2T)越小,驱动电流分布归一化半径越小和驱动电流越大.
EAST 装置高速真空紫外成像(VUVI)诊断系统是边界局域模(ELM)二维丝状结构研究中的一项重要诊断设备.受工作环境以及高速采集的影响,VUVI 系统丝状结构原始图像数据的信噪比相对较差.采用块匹配三维滤波(BM3D)算法、背景差分和数学形态学处理的方法对原始数据进行处理.使用BM3D算法去除所采集图像的噪声,增加信噪比;使用背景差分法提取丝状结构;采取数学形态学处理图像并获得丝状结构的边缘位置和倾斜角度.模拟与实验数据分析表明,该方法能有效提取VUVI诊断获得的丝状结构边缘细节,获得丝状结构倾斜角等信息,并提高了实验数据的利用率.
高压电源是中性束加热用离子源束流引出的关键设备,其运行参数和性能直接决定引出束粒子能量和离子源引出效率.为了进一步提高中性束离子源实验平台高压运行参数和性能,重新优化设计并研制了80kV/50A高压电源的所有模块.首先介绍了80kV/50A高压模块电源的主电路拓扑结构和电源模块,运用仿真软件对高压电源主回路进行了充放电、打火保护仿真,仿真结果符合设计要求.最后,通过调试实验发现了电源模块存在空间绝缘不足、整流桥击穿、触发控制不响应等问题,进行了分析优化改进,完成了 80kV/50A高压模块电源的升级研制.
以多功能重载机械臂中的关键旋转关节潜在的故障为对象,开展关节救援机构的研究.分析了该关节救援机构的概念设计,针对可能的故障提出了一种切实可行的救援机构设计方案.按照简洁、模块化的设计原则,综合考虑救援机构概念设计、救援工况需求和旋转关节内部的空间布局,设计了以救援减速箱机构和电机抱闸开启机构为主体的关节救援机构,同时明确了该关节的救援操作流程.
基于CFETR超临界CO2锂铅双冷包层基本结构,对超临界二氧化碳冷却第一壁方案进行了热工水力学分析.采用计算流体力学(CFD)的方法,通过限定第一壁最高温度,分析了流道间距、壁面粗糙度、流道尺寸和内壁面热流密度对驱动功率、出口温度和内壁面温度的影响,并与氦冷方案进行了比较,为后续包层结构设计提供参考.结果表明,减小流道间距、增大壁面粗糙度可以获得更好的冷却性能.增大流道极向尺寸可以有效降低驱动功率,而增大流道径向尺寸可以有效降低内壁面温度.考虑第一壁与增殖区换热后,内壁面最高温度会有较大提升.此外,超临界二氧化碳冷却第一壁所需的驱动功率小于氦气的驱动功率.
利用线-筒电晕放电装置,研究了气体流动和外加磁场对负电晕放电的影响.当电压固定时,电晕放电电流随气体流量的增加先快速增大,并到达一个高点后迅速下降,随着流量的进一步上升,放电电流又开始缓慢增加.外加磁场能增加电晕放电的电流,但在高的气体流速下,磁场将降低电晕放电的电流,同时外加磁场增加臭氧的产生,直到温度上升导致它的快速降解.
为研究高参数等离子体的低杂波可近性,基于 HL-3 装置设计了一套位于强场侧的低杂波天线.利用ALOHA代码对强场侧的天线进行模拟分析,针对只有一个单元的PAM天线,分别对其子波导数量、有源/无源子波导的高度、宽度和壁厚等参数进行模拟,得到了天线的最佳结构和尺寸.最终优化后的天线发射参数为:波谱中心的平行折射率N||为 2.25,天线的反射系数小于2%,方向性系数大于0.59.
为了帮助理解HL-2A装置的实验现象,采用本征值程序GAM对HL-2A实验中环形阿尔芬本征模(TAE)的线性性质进行了模拟研究,模拟结果与实验结果一致.此外,分析了具有不同安全因子剖面的TAE的连续谱、模结构和模频率.对于正常磁剪切,发现芯部(√ψT<0.3)的TAE的径向模结构由两个相邻的极向谐波组成,而外区(√ψT =0.3～0.9)的TAE的径向模结构由 8 个较高的极向谐波组成,这表明磁剪切在极向谐波耦合中起着重要作用.当安全因子剖面在芯部存在反剪切时,反剪切区域的TAE消失,外区的TAE的径向宽度变窄.最后,研究了电子密度剖面对TAE的影响,发现TAE模频率随电子密度的增加而降低,而模结构对电子密度的变化不敏感.
激光诱导荧光作为一种非侵入式的诊断技术,通过激光扫频得到粒子速度分布函数来计算其速度和温度.为得到较高信噪比的粒子速度分布函数,需要对多次采集的数据进行平均处理,这需要标定每次扫频的激光波长,以确定每次扫频的相同波长范围.为此发展了利用碘分子吸收光谱来进行波长标定的技术.为探究有效的光谱对齐算法,分别使用最小均方误差法、误差梯度下降算法和卷积神经网络在模拟碘分子吸收光谱数据集上进行了测试.结果显示,最小均方误差法具有很好的对齐精度,且对齐平均误差小于两个采样间隔.利用最小均方误差法对齐碘分子吸收光谱,对Ar+激光诱导荧光实验结果的激光波长进行了标定,平均了多组Ar+速度分布函数.相较于利用法布里-珀罗干涉仪共振峰标定以及激光触发曲线标定,通过碘吸收光谱标定得到的离子温度更准确.
利用计算机视觉技术,对HL-2A偏滤器放电X点进行了识别研究.首先根据HL-2A偏滤器放电图的分析需求,基于直观的等离子体标准下单零放电位形下的边缘可见光辐射模型建立了Canny边缘检测的处理模型,主要对图像中等离子体边缘进行了预处理.结合Harris角点检测的算法,在提取出图像特征点后,利用多边形逼近的方式确定了特征点在图像中的坐标值.分别拟合出强、弱场侧的等离子体边界曲线及其渐近线,渐近线交点近似为X点,边界曲线向中心逼近所包围的区域可近似为X点存在区域.通过实际的HL-2A装置第 37638次放电偏滤器放电图验证,经过简化条件后,拟合出的X点与EFIT反演对比误差范围在3cm以内.
讨论了在驱动频率分别为13.56MHz、40.68MHz、94.92MHz和 100MHz,功率为40W,气压由3.3～26.6Pa 下的容性耦合 Ar 等离子体的放电特性.利用光谱相对强度法分别诊断了电子激发温度和电子密度.采用粒子模拟和蒙特卡罗碰撞模型(PIC/MCC),模拟了上述实验条件下中心处电子密度和电子能量概率分布(EEPF).结果表明,在每一个驱动频率下,电子密度均随放电气压的增加而增加,而电子温度则随气压增加而降低.驱动频率为 13.56MHz和 40.68MHz的电子密度随气压变化趋势几乎一致,而 94.92MHz和 100MHz的电子温度则随气压变化趋势几乎一致.通过比较EEPF,电子温度随气压的增加有下降的趋势,与光谱诊断结果基本吻合.
利用HL-2A装置已开发的基于深度学习的边缘局域模(ELM)识别算法和超声分子束注入(SMBI)等ELM缓解设备组成了一个ELM实时识别和控制系统.该系统实时采集相关的输入数据,通过神经网络计算分析,输出识别信号,当检测到存在连续ELM时,触发SMBI以缓解ELM.在HL-2A装置放电实验期间对ELM实时控制系统进行了测试,识别效果明显,在1ms控制周期中,达到了ELM的实时缓解与控制.
针对高温超导线圈的基本结构单元环形螺旋导体,通过仿真计算分析其磁化损耗特性.首先通过实验和仿真验证了三维T-A法的可靠性,研究了不同的环中心圆半径、不同的圆管半径下磁化损耗特性.研究结果表明,随着环中心圆半径的增大,环形螺旋导体的磁化损耗逐渐增加;随着圆管半径的增大,环形螺旋导体的磁化损耗逐渐减小.
为模拟偏滤器水冷模块微纳米结构化表面的传热特性,结合微纳表面可视化微观观察实验数据,在现有气泡参数模型的基础上,对接触角、气泡脱离直径、气泡脱离频率、汽化核心密度等参数模型进行修改,提出可模拟微纳表面过冷流动沸腾传热效果的计算模型.用该模型对压力为4MPa、速度为10m·s-1、进口温度为423K的偏滤器水冷结构中的过冷流动沸腾进行计算,得到常规水冷通道与微纳表面水冷通道各结构的温度与气相体积分布.计算结果表明,微纳表面的平均传热系数提高约一倍;在无氧铜与铬锆铜的许用温度范围内,微纳表面通道偏滤器承受的稳态热流密度可达14MW·m-2.
中性束注入是磁约束核聚变能研究中重要的辅助加热手段.大面积负离子源是中性束注入系统的核心部件.在负离子源工作过程中,负离子的电子结合能非常小(约 0.75eV),极易被高能电子破坏.为此需要设计过滤磁场降低电子温度,减少负离子的损失,同时也可以减少伴随引出的电子.根据大面积负离子束源的机械结构,分别设计了永磁体产生过滤磁场和利用等离子体电极(PG)电流产生磁场两种磁过滤器结构;通过有限元算法对产生的过滤磁场进行模拟分析和优化,完成了大面积负离子束源过滤磁场的研制.在负离子束源测试平台开展实验测试,引出区电子温度从5eV降至1eV.这个结果初步验证了大面积负离子束源的过滤磁场的性能,为大面积负离子束源的研制提供了支持.
