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大型托卡马克等离子体破裂期间将产生大量的高能逃逸电子,如果不加以缓解则会严重损害装置壁,威胁装置的安全运行。因此避免和缓解破裂期间逃逸电子的产生是未来装置的关键问题之一。外加共振磁扰动(Resonant Magnetic Perturbation, RMP)作为抑制逃逸电子产生的方法,可通过增强磁扰动水平破坏磁面从而实现促进逃逸电子损失的目的。目前,不同装置中已开展了磁扰动对逃逸电流影响的相关研究,然而实验结果呈现出较大的差异。外加磁扰动对逃逸电流的影响较为复杂,需综合考虑各种参数的作用。且各个装置的参数以及扰动场谱结构的差异也将影响等离子体对磁扰动的响应。因此外加磁扰动能否成为有效的逃逸电流抑制手段,仍需进一步的研究。本文基于J-TEXT托卡马克装置,分别从外加磁扰动模式、幅值和相位三个方面研究了其对逃逸电流产生的影响。
为了更好的设计逃逸电流的抑制缓解手段,本文首先研究了J-TEXT装置中逃逸电流的产生区间。在大量气体注入主动触发破裂条件下,J-TEXT装置中逃逸电流的形成受到纵场BT、边界安全因子qa、等离子体电子密度ne、电子温度Te以及破裂期间相对磁扰动水平δ??/BT的影响。当BT或者qa足够大时,破裂期间易形成逃逸电流。而当ne较高或Te较低时,逃逸电流容易被抑制。破裂期间相对磁扰动水平越强则逃逸电流越难以形成。固定纵场条件下,只有当等离子体电子密度高于某一阈值时才可实现逃逸电流的完全抑制。破裂前外加共振磁扰动的投入可显著降低抑制逃逸电流所需的密度阈值。密度阈值随着RMP幅值的增强而降低,且m/n=2/1模式RMP比m/n=3/1模式RMP更有效,这里的m为极向模数,n为环向模数。
低密度条件下,2/1模式RMP的幅值和相位可显著影响破裂期间逃逸电流的形成。当RMP强度小于穿透阈值时,RMP相位对逃逸电流的影响不明显。当RMP强度高于穿透阈值时,不同的2/1磁岛相位可显著影响逃逸电流的产生。当穿透形成的锁模磁岛X点靠近MGI注气口时,破裂期间依然形成逃逸电流;而当锁模磁岛O点靠近MGI注气口时,逃逸电流可被完全抑制,且逃逸电流的抑制效果与磁岛宽度有关。只有2/1磁岛宽度大于一定阈值(4 cm)时,才可实现逃逸电流的抑制。NIMROD模拟中也验证了磁岛相位和磁岛宽度对逃逸电流抑制的有效性。该结果为优化外加2/1模式RMP抑制逃逸电流方法提供了基本的思路。
在2/1锁模磁岛X点靠近MGI注气口条件下,混合模式中的3/1模式RMP相位可显著影响逃逸电流的抑制效果。研究结果显示:当3/1磁岛X点靠近MGI注气口时,无法实现逃逸电流的完全抑制;而当3/1磁岛O点靠近MGI注气口时,逃逸电流可被完全抑制,且小幅值分量的3/1模式磁扰动也具有显著的抑制效果。混合模式RMP对逃逸电流形成的影响中,2/1模式RMP起主要作用而3/1RMP起辅助作用,主要原因是2/1模式RMP更靠近芯部,可显著影响芯部逃逸电子的损失。NIMROD模拟结果显示,特定相位的混合模式RMP通过增强破裂期间磁磁面的随机化程度,加速逃逸电子的损失,从而促进逃逸电流的完全抑制。模拟结果与实验结果吻合,验证了特定相位下混合模式RMP对逃逸电子抑制的显著效果。
为了更好的设计逃逸电流的抑制缓解手段,本文首先研究了J-TEXT装置中逃逸电流的产生区间。在大量气体注入主动触发破裂条件下,J-TEXT装置中逃逸电流的形成受到纵场BT、边界安全因子qa、等离子体电子密度ne、电子温度Te以及破裂期间相对磁扰动水平δ??/BT的影响。当BT或者qa足够大时,破裂期间易形成逃逸电流。而当ne较高或Te较低时,逃逸电流容易被抑制。破裂期间相对磁扰动水平越强则逃逸电流越难以形成。固定纵场条件下,只有当等离子体电子密度高于某一阈值时才可实现逃逸电流的完全抑制。破裂前外加共振磁扰动的投入可显著降低抑制逃逸电流所需的密度阈值。密度阈值随着RMP幅值的增强而降低,且m/n=2/1模式RMP比m/n=3/1模式RMP更有效,这里的m为极向模数,n为环向模数。
低密度条件下,2/1模式RMP的幅值和相位可显著影响破裂期间逃逸电流的形成。当RMP强度小于穿透阈值时,RMP相位对逃逸电流的影响不明显。当RMP强度高于穿透阈值时,不同的2/1磁岛相位可显著影响逃逸电流的产生。当穿透形成的锁模磁岛X点靠近MGI注气口时,破裂期间依然形成逃逸电流;而当锁模磁岛O点靠近MGI注气口时,逃逸电流可被完全抑制,且逃逸电流的抑制效果与磁岛宽度有关。只有2/1磁岛宽度大于一定阈值(4 cm)时,才可实现逃逸电流的抑制。NIMROD模拟中也验证了磁岛相位和磁岛宽度对逃逸电流抑制的有效性。该结果为优化外加2/1模式RMP抑制逃逸电流方法提供了基本的思路。
在2/1锁模磁岛X点靠近MGI注气口条件下,混合模式中的3/1模式RMP相位可显著影响逃逸电流的抑制效果。研究结果显示:当3/1磁岛X点靠近MGI注气口时,无法实现逃逸电流的完全抑制;而当3/1磁岛O点靠近MGI注气口时,逃逸电流可被完全抑制,且小幅值分量的3/1模式磁扰动也具有显著的抑制效果。混合模式RMP对逃逸电流形成的影响中,2/1模式RMP起主要作用而3/1RMP起辅助作用,主要原因是2/1模式RMP更靠近芯部,可显著影响芯部逃逸电子的损失。NIMROD模拟结果显示,特定相位的混合模式RMP通过增强破裂期间磁磁面的随机化程度,加速逃逸电子的损失,从而促进逃逸电流的完全抑制。模拟结果与实验结果吻合,验证了特定相位下混合模式RMP对逃逸电子抑制的显著效果。