南昌大学实验报告
磁约束核聚变装置控制虚拟仿真实验报告
一、实验目的
（1）理解磁约束核聚变的基本原理；
（2）熟悉托克马克实验装置控制的一般操作流程；
（3）了解托克马克实验装置的一般平衡磁场位型、等离子体密度分布和温度分布的特征图像； （4）了解托克马克实验装置L、H模式下等离子体的密度和温度分布区别。
二、实验仪器
磁约束核聚变装置控制虚拟仿真实验系统：主要包括NCST装置（南昌大学球马克实验装置模型）、抽真空系统、中央控制系统、电源系统、加料系统、磁场电源控制器、等离子体加热系统、磁场诊断探针、激光汤姆逊散射诊断系统、诊断数据采集器、数据处理系统等软件操作模块。
三、实验原理
托卡马克是一环形装置。欧姆线圈的电流变化提供产生、建立和维持等离子体电流所需要的伏秒数；极向场线圈产生的极向磁场控制等离子体截面形状和位置平衡；环向场线圈产生的环向磁场保证等离子体的宏观整体稳定性；环向磁场与等离子体电流产生的极向磁场一起构成磁力线旋转变换的和磁面结构嵌套的磁场位形来约束等离子体。在托卡马克装置上，已可通过大功率中性束注入加热和各种微波加热使等离子体达到和超过氘一氚有效燃烧所需的温度(>10K)。研究表明加大装置尺寸，约束时间大致按尺寸的平方增大。此外，还可通过提高环向磁场、优化约束位形和运行模式来提高能量约束时间。
高温等离子体被约束在不与真空室壁相碰的位置上，在约束过程中存在大量不稳定性、热传导损失和辐射损失等，在约束控制过程中需要不断诊断等离子体参数，抑制各种导致等离子体破裂的不稳定性发展，同时通过各种辅助加热使反应堆的输入和输出整体功率平衡，满足等离子体的点火条件，即著名的劳森判据：
p?E?2n?ET?2?1020sK/m3， （1）
才能实现等离子体的自持燃烧，其中n和T分别为约束等离子体密度和温度，?E为等离子体能量约束时间，即等离子体能量由于热传导下降到e的弛豫时间。从点火条件可知，T的最小值和相应的p?E值为：
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?1Tmin?15 (KeV)(p?E)min?8.3 (atm?s)。 （2）
定性的来说，托卡马克实验中存在两种截然不同的运行模式，即L模式-低约束模式和H模式-高约束模式。在这两种模式下能量约束时间?E的经验定标律显著不同，H模的?E值大约是L模式的2倍，这意味着磁约束聚变可以在更小尺寸、规模、成本较低的条件下实现点火。决定运行模式的关键因素是外部加热功率大小和等离子体与第一壁材料表面的接触方式。在托卡马克实验中发现，当外部加热功率增加达到某一阈值时，等离子体会突然从L模式转换到H模式，对于一般简单反应堆参数，L-H模转换的经验阈值PLH约为100MW。在高约束模式下，内部输运垒的激发能够使得等离子体的能量约束时间?E进一步改善，芯部的等离子体密度和温度也进一步提高，这为先进托克马克运行带来很大希望。
磁约束核聚变实验是一项复杂的系统工程，需要不断地实时测量等离子体的状态，反馈至控制系统，不断重建等离子体的平衡，以维持对高温等离子的约束。实验中常跟踪的等离子体参数有磁场位型、磁通及其变化、电磁场量、等离子体电流、密度分布、温度分布等。诊断方法、设备和技术也不断地在更新升级。诚然，真实的磁约束聚变实验还涉及很多重要的物理过程、工程技术和诊断控制等方面的系统知识。
本实验将基于NCST装置，定性地测量并绘制托克马克实验装置等离子体截面上的平衡磁场位型、等离子体密度和温度分布，以及观察L、H模式下等离子体的密度和温度分布特征。
四、实验步骤
(1) 逐一检查实验仪器各系统的情况（NCST装置、抽真空系统、中央控制系统、电源系统、
加料系统、磁场电源控制器、等离子体加热系统、磁场诊断探针、激光汤姆逊散射诊断系统、诊断数据采集器、数据处理系统）。
(2) 打开NCST装置实验教学仪电源、中央控制系统电源和诊断与数据处理系统电源，磁场电
环系统电源，加料系统电源，加热系统电源。
(3) 在中央控制系统中开启抽取真空开关，同时打开除气系统对腔壁处理，直到装置真空度
在10-6pa左右。若真空要求未达到，无法进行下一步实验。
(4) 打开控制系统的磁场电源控制模块，在环向磁场控制中：设置环向磁场工作启动时刻（单
位ms）。
(5) 打开加料系统开关，自动将一定量的氢气注入到磁约束腔体内，当真空计达到10-5Pa左
右停止，并关闭系统开关。
(6) 打开控制系统的控制模块，设置欧姆磁场为“感生等离子体电流”模式，设置启动开始
时间（单位ms），欧姆磁场线圈通电，感应产生环向电场并击穿气体。
(7) 打开电脑软件控制系统，设置极向磁场工作模式，启动开始时间（单位ms）。垂直磁场
线圈通电抑制等离子体环扩张，观察腔体中带电粒子的运动约束规律。
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(8) 打开控制系统的加热控制模块，设置加热工作模式为“L模式”和加热方式，设置启动开
始时间（单位ms）；启动后观察等离子体粒子加热后的运动特点。 (9) 打开控制系统，设置高速摄影机启动时刻和工作时间。
(10) 打开控制系统，同时选择“磁探针探测系统”和“激光汤姆逊散射测量系统”测量磁场、
以及测电子温度和密度。
(11) 全部参数测定完毕后，启动测量，开始顺序执行操作，执行完毕后自动停止。 (12) 打开中央控制系统-诊断系统，点击高速摄影机模块，可观察实验过程NCST腔体内演化
图像。
(13) 打开中央控制系统-诊断系统-磁探针诊断模块，可查看自动生成平衡磁场位型。 (14) 打开中央控制系统-诊断系统-激光汤姆逊散射系统，查看自动生成L模式t时刻电子密
度和温度沿小半径的分布图，可支持多组数据保存。
(15) 打开中央控制系统-主控系统-实验操作序列控制模块。调节“设置加热参数”的欧姆磁
场和微波加热功率参数到“H模式”，然后点击“执行操作”进行放电。
(16) 点击高速摄影机模块，观察实验过程NCST腔体内效果动画。选择激光汤姆逊散射系统控
制模块，经系统分析，自动得到H模式电子密度和温度沿小半径t时刻的分布图。 (17) 结束放电后，在中央控制系统-主控系统-实验操作序列控制中，通过“控制设备电源”
控制模块关闭磁场电源系统、加热系统电源、加料系统，数据处理系统电源，关闭NCST装置实验教学仪电源，实验结束。
五、实验结果记录
1、平衡磁场孔栏位型图
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2、L模式电子密度分布
3、L模式电子温度分布
4、H模式电子密度分布
5、H模式电子温度分布
六、实验体会
这次是纯线上的仿真实验，一开始系统一直进不去，直到换了好几个网络浏览器才成功进入实验界面。仿真实验是有老师提前拍好的视频全程指导，操作并不复杂。实验也很简单，但是在实验操作过程中同样需要真实实验的耐心和细致，最开始需要把所有的一起检查审视一遍。这是培养我们对实验的严谨态度和对实验仪器的认真负责。尽管因为疫情我们不能按时返校只能在家进行线上课程，但是我们仍然需要有学习的热情和积极来对待线上课程。
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磁约束实验报告
