基于极向磁能转移的托卡马克等离子体破裂缓解方法研究

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在破裂过程中,等离子体内能和极向磁能快速耗散在真空室内部,产生热沉积、电磁力和逃逸电流三大破裂危害。国际热核聚变试验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)及未来聚变装置的等离子体内能和极向磁能巨大,等离子体破裂危害对装置的安全运行及寿命造成了严重的威胁,因而必须对等离子体破裂造成的危害进行缓解。目前最有效的破裂缓解方法是杂质注入,杂质注入在理论上可以缓解ITER装置等离子体破裂造成的危害,但是在实践中仍然存在一些亟待解决的问题,比如杂质注入引起的热辐射分布不均匀和杂质注入水平还达不到完全缓解逃逸电流的要求等。  本文从新的角度,提出基于极向磁能转移(Magnetic Energy Transfer,MET)的破裂缓解方法,简称极向磁能转移。该方法利用与等离子体耦合的磁能转移线圈(简称MET线圈),在破裂过程中通过电磁耦合将真空室内部的极向磁能部分转移到真空室外部,减小耗散在真空室内部的极向磁能,进而减小耗散在真空室内部的总能量,达到破裂缓解的目的。在正常放电过程中MET线圈处于开路状态,仅在破裂过程中通过触发连接开关快速导通,因此MET线圈仅在破裂过程中工作,对正常放电没有任何影响。本文结合J-TEXT装置的结构特点和参数对基于极向磁能转移的破裂缓解方法展开研究,探索极向磁能转移的可行性及对破裂危害的缓解效果,为ITER及未来聚变装置提供参考。本文完成的工作主要包括:  首先,研究了J-TEXT装置破裂过程中的极向磁能耗散规律,为研究极向磁能转移奠定了基础。结合J-TEXT装置的结构特点和参数,分析了等离子体与极向场线圈、真空室的耦合关系,利用ANSYS有限元软件计算了破裂前后极向磁能的大小和分布,并通过实验对分析结果进行了验证。分析得到了J-TEXT装置在破裂过程中有80-100%的极向磁能耗散在真空室内部的结论。  其次,研究了基于极向磁能转移的破裂缓解方法。建立了J-TEXT极向磁能转移分析模型,利用该模型分析了典型的极向磁能转移过程,分析了MET线圈参数对极向磁能转移效率的影响,开展了J-TEXT极向磁能转移实验,实验验证了相关分析结果。研究发现MET线圈与等离子体的相对位置决定了二者的耦合系数,而二者的耦合系数是影响磁能转移效率的关键参数。在J-TEXT装置采用偏置线圈做为MET线圈的情况下,磁能转移效率最高达到25.3%,破裂过程中耗散在真空室内部的极向磁能可以降低到65.9%。  最后,研究了极向磁能转移对逃逸电流的缓解效果。在破裂过程中随着等离子体电流的下降,MET线圈中建立与等离子体电流同向的感应电流,可以减小破裂过程中的环向感应电场,进而缓解逃逸电流。在实验中观测到磁能转移可以有效缓解逃逸电流。  J-TEXT装置上的极向磁能转移研究结果显示,该方法可以有效减小破裂过程耗散在真空室内部的极向磁能,同时还可以有效缓解逃逸电流。极向磁能转移与杂质注入等现有破裂缓解方法的原理不同,但是二者可以协同缓解破裂危害,以获得更好的破裂缓解效果。
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