电子回旋波驱动电流抑制新经典撕裂模位置偏差研究

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随着托卡马克装置运行参数的提高,新经典撕裂模是不可避免的宏观磁流体不稳定性。新经典撕裂模的产生将严重限制装置的β阈值,并且新经典撕裂模磁岛的产生会改变托卡马克内局部磁场位形,破坏局部等离子体平衡,增强等离子体的径向输运,严重时会导致等离子体破裂,放电中止,甚至损坏等离子体第一壁。经过几十年的研究,探索出了多种避免和控制新经典撕裂模的方法。理论上在磁岛内产生同向的驱动电流是一种有效的控制方法,如电子回旋波驱动电流(ECCD)。并且在实验上成功的利用ECCD稳定了新经典撕裂模,其可行性得到验证。目前ECCD也是ITER装置上抑制新经典撕裂模的主要方案。研究和发展ECCD抑制新经典撕裂模理论对于发展磁约束聚变等离子体非常重要。根据目前的研究结果,未来ITER上需要七十多兆瓦的电子回旋波来完全抑制新经典撕裂模,因此研究提高ECCD抑制新经典撕裂模效率也具有重要意义。本文通过介绍宏观磁流体不稳定性引出经典撕裂模和新经典撕裂模,并且通过对经典撕裂模的调研知道其可以通过调整等离子体电流剖的方式避免产生。但对新经典撕裂模的产生以及控制的理论研究表明其不可能通过控制等离子体电流剖面完全避免。同时研究表明在高参数托卡马克内新经典撕裂模的激发需要有足够高的等离子体压强和超过阈值的种子磁岛两个条件。ECCD是目前抑制新经典撕裂模的主要手段之一,因此本文还简要介绍了电子回旋的加热和电流驱动理论。TORAY-GA是目前在数值模拟分析和研究电子回旋波加热和电流驱动的主要程序,TM1则是研究托卡马克装置内新经典撕裂演化的主要程序。针对ECCD抑制新经典撕裂模来优化电子回旋波系统。通过固定反射镜位置扫描电子回旋波的入射角度,扫描步长为0.5°,通过有理面的径向位置作为初始筛选条件,而ECCD自身参数来选取电子回旋波备选最优入射角,最后通过TM1程序的检验确定最优入射角度。通过调整反射镜位置并确定抑制新经典撕裂模的最优入射角度,从而得到最小电子回旋波功率和位置的关系。通过研究表明对于m/n=3/2和m/n=2/1两种主要的新经典撕裂模,最优反射镜位置并不统一。模拟结果还表明,即使是0.5°步长也无法使得ECCD中心和有理面对齐,同时ECCD的加入会改变有理面的径向位置,ECCD中心和有理面间存在径向偏差是实验上ECCD抑制新经典撕裂模的客观事实。本文研究了 ECCD中心和有理面存在微小径向偏差对其抑制新经典撕裂模的影响,通过研究发现ECCD抑制新经典撕裂模并不需要ECCD中心和有理面完全重合,两者间存在一个对齐区域,ECCD中心可以在有理面外0.01a以内的区域范围内完全抑制新经典撕裂模,同时模拟结果表明,在有理面外侧的ECCD更容易通过提高电子回旋波功率抑制新经典撕裂模不稳定性。通过研究有理面附近的等离子体电流密度分布,得到ECCD中心在有理面内外两侧表现出明显的差异,这一差异也导致了 ECCD中心在有理面外侧比内侧更容易抑制新经典撕裂模。微小的径向偏差使得ECCD抑制新经典撕裂模的效率急剧降低,甚至不能完全抑制新经典撕裂模,需要缩小两者间的径向偏差。通过数值模拟结果表明利用磁岛宽度变化反馈调节ECCD中心径向位置,足够长的沉积时长可以通过反馈调节缩小径向偏差,抑制新经典撕裂模不稳定性。针对大幅度缩减电子回旋波功率的需求,本文研究了新经典撕裂模出现的早期加入ECCD对抑制新经典撕裂模的影响,数值模拟结果表明在新经典撕裂模出现的初期加入ECCD可以大幅度降低电子回旋波功率需求,同时也发现加入时机和磁岛宽相关,数值模拟结果表明必须在磁岛宽度达到0.05a之前加入ECCD。对于早期的新经典撕裂模,调制形式的ECCD抑制效率要更高。在新经典撕裂模发生的早期加入较小份额的连续ECCD可以降低新经典撕裂模磁岛的增长速率,同时还能提高后续的连续ECCD抑制新经典撕裂模效率以及减弱有理面外侧径向偏差对ECCD抑制新经典撕裂模的影响。
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