1、第4 9卷 第1期2 0 2 3年2月东华大学学报(自然科学版)J OUR NA L O F D ON GHUA UN I V E R S I T Y(NA TUR A L S C I E N C E)V o l.4 9,N o.1F e b.2 0 2 3 文章编号:1 6 7 1-0 4 4 4(2 0 2 3)0 1-0 1 1 9-0 7D O I:1 0.1 9 8 8 6/j.c n k i.d h d z.2 0 2 1.0 5 4 5收稿日期:2 0 2 1-1 0-0 6基金项目:国家自然科学基金面上项目(1 2 0 7 0 5 0 3 7 0)通信作者:李莉,女,副教授,研
2、究方向为受控热核聚变中磁流体不稳定性的物理机制与控制,E-m a i l:l i l i 8 0 6 8d h u.e d u.c n引用格式:王燕飞,李莉.托卡马克中旋转刹车对等离子体响应的影响J.东华大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 9(1):1 1 9-1 2 5.WAN G Y F,L I L.E f f e c t o f r o t a t i o n b r a k i n g o n t h e p l a s m a r e s p o n s e i n T o k a m a k sJ.J o u r n a l o f D o n g h u a U n i
3、v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e),2 0 2 3,4 9(1):1 1 9-1 2 5.托卡马克中旋转刹车对等离子体响应的影响王燕飞,李 莉(东华大学 理学院,上海 2 0 1 6 2 0)摘要:根据A S D E X-U p g r a d e托卡马克装置3 1 1 3 1放电的试验平衡,构建一组在台基区附近具有不同刹车位置的等离子体旋转剖面。采用线性等离子体响应模型并利用MA R S-F程序进行计算,研究刹车点位置对等离子体响应的影响,以期为大型托卡马克装置利用共振扰动场控制边缘局域模提供理论指导。模拟结果表明,当等离子体旋转的刹车点经过
4、有理面时,由于有理面上存在磁岛链,等离子体对共振磁扰动场的屏蔽作用降低,最靠近等离子体边界的有理面上的总径向扰动磁感应强度的共振分量以及等离子体分形面上X点附近的最大法向扰动位移值发生跃变,即等离子体响应发生跃变,粒子和能量的径向输运增强。关键词:等离子体响应;等离子体旋转;边缘局域模;MA R S-F程序;共振磁扰动;X点扰动位移中图分类号:O 5 3 4 文献标志码:AE f f e c t o f r o t a t i o n b r a k i n g o n t h e p l a s m a r e s p o n s e i n T o k a m a k sWANG Y a
5、n f e i,L I L i(C o l l ege o f S c i e n c e,D o ngh u a U n i v e r s i ty,S h a ngh a i 2 0 1 6 2 0,C h i n a)A b s t r a c t:A gr o up o f pl a s m a t o r o i d a l r o t a t i o n w i t h d i f f e r e n t b r a k i ng po s i t i o n s(z e r o-c r o s s i ngs)i n t h e pe d e s t a l r egi o n
6、 w a s a s s u m e d a c c o r d i ng t o t h e e xpe r i m e n t a l equ i l i b r i u m i n t h e d i s c h a rge 3 1 1 3 1 o f A S D E X-Up gr a d e T o k a m a k.T h e l i n e a r pl a s m a r e spo n s e m o d e l a n d MAR S-F c o d e w e r e u s e d t o i n v e s t iga t e t h e e f f e c t o
7、 f t h e l o c a t i o n o f z e r o-c r o s s i ng o n t h e pl a s m a r e spo n s e,w h i c h c o u l d pr o v i d e a t h e o r e t i c a l gu i d a n c e f o r t h e c o n t r o l o f e dge l o c a l m o d e s(E LM s)by t h e r e s o n a n t m agn e t i c pe r t u r b a t i o n(RMP)f i e l d s
8、i n l a rge T o k a m a k.T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t w h e n t h e l o c a t i o n o f z e r o-c r o s s i ng pa s s e s t h r o ugh t h e r e s o n a n t s u r f a c e,t h e s h i e l d i ng e f f e c t o f t h e pl a s m a o n t h e RMP f i e l d d e c r e a s e s d u
9、e t o t h e e x i s t e n c e o f m agn e t i c i s l a n d c h a i n s o n t h e r a t i o n a l s u r f a c e.T h e r e s o n a n t c o mpo n e n t o f t h e t o t a l r a d i a l pe r t u r b a t i o n m agn e t i c i n d u c t i o n i n t e n s i ty o n t h e r a t i o n a l s u r f a c e c l o
10、s e s t t o t h e pl a s m a b o u n d a ry a n d t h e v a l u e o f t h e m a x i m u m n o r m a l pe r t u r b a t i o n d i spl a c e m e n t n e a r t h e X po i n t o n t h e pl a s m a b o u n d a ry ju mp,w h i c h m e a n s t h e pl a s m a r e spo n s e ju mps.T h u s,t h e r a d i a l t
11、r a n spo r t o f pa r t i c l e s a n d e n e rg y i s e n h a n c e d.K e y w o r d s:pl a s m a r e spo n s e;pl a s m a r o t a t i o n;e dge l o c a l i z e d m o d e s;MAR S-F c o d e;r e s o n a n t m agn e t i c pe r t u r b a t i o n;d i spl a c e m e n t n e a r X-po i n t东华大学学报(自然科学版)第4 9
12、卷 边缘局域模(e d g e l o c a l i z e d m o d e s,E LM s)是托卡马克装置在高约束模式(H模)放电时,于等离子 体 边 缘 周 期 性 爆 发 的 一 种 磁 流 体 力 学(m a g n e t o h y d r o d y n a m i c,MHD)不 稳 定 性1。在E LM s爆发期间,大量的粒子和能量会从等离子体区域喷发出来射向面向等离子体的材料2,如偏滤器靶板,从而对其造成损伤,缩短其使用寿命,影响等离子体约束性能。在多种类型的E LM s中,I型E LM s爆发频率较低,但是单次爆发释放的能量最高3,集中释放的能量可能会损坏装置,甚
13、至直接导致放电终止,对未来大型托卡马克装置(如I T E R)具有潜在威胁。因此,未来实现大型聚变装置长时间稳定放电,必须对I型E L M s进行有效控制4。目 前,外 加 共 振 磁 扰 动(r e s o n a n t m a g n e t i c p e r t u r b a t i o n,RMP)场已在国内外多台托卡马克装置上实现了对I型E LM s的有效控制甚至完全抑制,比如:在J E T5和MA S T6等装置上实现了对I型E LM s的 有 效 缓 解;在D I I I-D7、E A S T8、K S T A R9和A S D E X-U p g r a d e1 0等装
14、置上实现了对I型E LM s的完全抑制。虽然在试验中已成功利用RMP场有效控制I型E LM s,但其缓解过程和物理机制尚不清楚。根据真空场构建的RMP场渗透模型1 1,考虑了RMP场渗入等离子体台基区的物理机制,即台基区粒子和能量的径向输运增强,构建了等离子体响应的物理模型,可以预测实际试验中能够实现E LM s有效缓解或抑制的RMP场。利用MA R S-F程序构建的线性等离子体响应模型1 2成功将等离子体响应自洽地引入计算模型中,并已基于多台托卡马克装置开展大量的理论与数值模拟工作,同时与其他大型数值模拟程序及相关试验结果相比,结果吻合良好6,1 2-1 8。据前期研究工作发现两个可以用于判
15、别等离子体响应以及E LM s控制效果的参数:(1)最靠近等离子体边界的有理面上包含等离子体响应的总径向扰动磁感应强度的共振分量;(2)在等离子体边界上靠近X点的法向扰动位移。由这两个参数预测的最优RMP场较为相似1 7。环向旋转对于等离子体中的磁流体不稳定性至关重要,例如,剪切流的大小和剪切度会影响撕裂模的不稳定性,等离子体流也会影响有理面附近的磁屏蔽效果。然而,静态RMP场的引入,将一定程度地降低等离子体旋转,甚至在某些位置导致等离子体旋转为零,即引起等离子体的刹车现象,造成锁模1 9,从而加速等离子体放电破裂。因此,对于大型托卡马克装置,需尽量避免芯部锁模的出现。A S D E X-U
16、p g r a d e装置3 1 1 3 1放电中的等离子体旋转在等离子体边界发生反转,引起了刹车点即过零点的特殊旋转分布。本文基于实际的试验平衡,引入一组具有不同刹车点位置的等离子体旋转分布并讨论其对等离子体响应的影响,利用包含等离子体 旋 转 的 环 几 何 位 形 下 的 线 性 磁 流 体 程 序MA R S-F2 0展开计算。1 A S D E X-U p g r a d e装置上E LM s试验平衡与计算模型1.1 A S D E X-U p g r a d e装置上E LM s试验平衡 本文基于A S D E X-U p g r a d e装置3 1 1 3 1放电在6.4 s时刻的实际试验平衡展开研究。该平衡中安全因子、电流密度、压强以及等离子体环向旋转频率的径向分布如图1所示。本次放电中,磁轴处和9 5%平衡磁通量面处的安 全因子q分别为q0=1.1 4,q9 5=5.5 6。电流密度的归一化常数为B0/(0R0),其中,R0为装置的大半径,B0为磁轴处平衡磁感 应 强 度,具 体 数 值 为R0=1.7 4 m,B0=1.7 4 T。压强p的归一化常数为B20/0。
