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离子回旋频段波加热,是EAST中非常重要的加热方式。对离子回旋频段波在EAST等离子体中的加热吸收机制、耦合、传播以及模转换等方面,做一个系统的模拟研究,十分重要而且必要。
为在EAST中实现分别以少数离子加热、多数离子加热、电子加热、模转换加热为主要加热目的离子回旋频段波加热实验,本文针对无中性束注入下的EAST等离子体参数,利用二维全波解程序TORIC分别模拟计算了其中两种常规加热--D(H)方案和D(3He)方案中各种加热机制的相对效果,为各种加热目的的实现提供了具体的加热模式以及相应的参数空间优化:
在D(H)方案中,分别系统地模拟计算了离子共振层位于近轴、弱场侧离轴以及强场侧离轴情况下,各种加热机制份额随H离子浓度的变化关系,模拟结果显示:在离子近轴加热且H浓度足够低(4%)的情况下,可以实现高效的少数离子基频吸收;而电子加热为主的模式可以在高的少数离子浓度下(20%)实现,也可以在离子强场侧加热时实现;多数离子谐频加热为主的模式可以在离子弱场侧加热时实现;而模转换IBW电子加热份额在所有模拟的D(H)方案中几乎一直在10%以下,因此D(H)方案下不利于实现高效的模转换IBW加热电子。
对D(3He)方案3He离子近轴加热,模拟了各种加热机制随3He浓度的变化,结果显示:电子加热在3He离子浓度超过8%之后就开始占据主导地位;在3He离子浓度为15%时候,模转换IBW电子加热份额可以达到23%。另外为更好地和离轴的低杂波加热和电流驱动配合,对模转换IBW加热电子功率沉积局域化也进行了模拟。为实现更高效的模转换IBW加热电子,在模拟15%3He离子浓度的加热模式中,将密度和温度参数对加热的影响考虑进去,给出了IBW加热电子份额在一定参数范围内的变化,找到其效果最好的加热模式。
利用一维平板全波解程序FELICE模拟了离子回旋频段波在EAST D(H)等离子体中的环向谱,对EAST中进行ICRF波加热可能出现的在弱场侧天线与混杂截止层之间的空腔谐振模的激发进行了模拟。指出在EAST低参数运行阶段,单次传播吸收(single pass absorption)较低,会激发这种模式,降低加热效率。模拟结果显示:在环向谱上存在多个这种模;不管是低环向模数,还是高环向模数,激发出来的这种模在功率环向谱上对应的峰值都很高。因此单次通过吸收还不很充分。我们还研究了少数离子浓度、温度、密度、频率以及相应的纵场等对环向谱的影响,给出了在没有中性束注入的条件下避免或者抑制空腔谐振模的方法。