J-TEXT上等离子体平衡计算和磁扰动对逃逸电流影响的数值计算研究

发布时间：2020-04-23 04:33

【摘要】：在托卡马克装置放电期间,得到可靠准确的等离子体放电位形及相关放电参数显得尤为重要。本文通过推导Grad-Shafranov平衡方程,采用分离变量法求得平衡方程解析解,结合EFIT(equilibrium fitting code)算法以及相关诊断数据(如SXR-soft X ray诊断数据测量计算磁轴位置,磁探针数据等)确定方程最优解,进而得到J-TEXT托卡马克装置平衡等离子体相关放电参数:电流密度剖面分布,压强剖面分布,安全因子分布,磁面函数剖面分布。通过平衡计算,可以得到等离子体放电平台期间的物理参数,如电流密度剖面,作为磁扰动影响逃逸电流数值计算的初值条件。托卡马克等离子体破裂时产生的热沉积,电磁应力和逃逸电子会严重威胁装置的安全运行,现阶段主要研究如何避免或者抑制形成逃逸电流。国内外不同装置做了大量有关外加磁扰动抑制逃逸电子的实验,比如J-TEXT上实验研究表明,磁扰动在一定范围内可以很好地抑制逃逸电流,当磁扰动过大时,逃逸电流反而会增大。本文通过数值计算研究了不同磁扰动对逃逸电流的影响,研究发现:外加磁扰动值δB/B在0~10~(-3)范围内时,随着磁扰动值增大,逃逸电流减小;等离子体未发生破裂时,在等离子体电流放电平台期间,电流密度从芯部向边缘变化比较平坦,当等离子体发生破裂时,未加磁扰动时,在形成逃逸平台期间,电流密度分布峰化程度大,在逃逸电流平台期间加上磁扰动δB/B10~(-4)时,芯部电流密度峰化不明显,但比较未发生破裂时仍有一定的峰化趋势;当δB/B10~(-4)时,继续增大磁扰动值,电流密度峰化趋势反而会增加,所以磁扰动在δB/B=10~(-4)范围内能很好的抑制逃逸电流。基于J-TEXT托卡马克装置,恢复搭建了软X射线能谱诊断系统,用于测量芯部等离子体温度以及中高Z杂质行为。电子温度作为等离子体运行的重要参数之一,能够反映很多物理现象,比如等离子体MHD(magneto-hydro dynamic)行为等。对不同放电条件下的平衡等离子体进行能谱测量分析得到:当等离子体放电电流越大,电子密度越高时,芯部等离子体温度越高;加入正偏压电极EB(electrode biasing)时,Hα辐射降低,等离子体约束改善,芯部温度升高;外加扰动磁场RMP(Resonant magnetic perturbation)时,等离子体穿透,约束变差,芯部温度下降。托卡马克等离子体放电时,杂质会不可避免地存在于等离子体中,中高Z杂质具有较大的稀释性和辐射能量损失特性,它们对等离子体行为有重要的影响。本文通过软X射线能谱诊断系统研究了J-TEXT托卡马克装置等离子体在不同放电条件下,芯部中高Z杂质行为。由于软X射线能谱上出现的特征Kα线的能量可以判断,在J-TEXT托卡马克等离子体中出现的中高Z杂质主要有Ar,Cr,Fe,研究分析发现:等离子体正常放电时,等离子体密度越低,Cr,Fe杂质辐射量越高;当加入正偏压电极EB(electrode biasing)时,Cr,Fe杂质辐射量变低;当外加扰动磁场RMP(Resonant magnetic perturbation)时,等离子体穿透,等离子体温度降低,芯部Ar杂质辐射强度不断下降。
【图文】：

托卡马克装置,极向场线圈

向磁场共同作用叠加而成，以空间螺旋状的磁力线环绕托卡马克等离子体[4]。托卡马克装置主要有纵场线圈，极向场线圈，真空室以及磁回路构成。由铜线绕制而成的纵场线圈沿着托卡马克装置的大环方向，呈空间均匀分布状态，在装置产生空间合成磁场的环向分量，其作用是将高温等离子体束缚在托卡马克真空体中。极向场线圈包括内部极向场和外部极向场线圈：安置在托卡马克装置内部压器初级线圈通过变压器原理使真空室出现等离子体电流，并且通过变压器对子体进行加热，，该线圈即为内部极向场线圈；外部极向场线圈，用于控制真空室离子体位形。J-TEXT（The Joint Texas Experimental Tokamak）托卡马克装置是国内高校进行实验研究的唯一中型托卡马克装置，在 2002 年美国德克萨斯大学聚变研究中心套装置赠予华中科技大学电气学院，于 2006 年年底在东校区东 15 楼，该装置竣工，装置如图 1.1 所示。

托卡马克装置,磁场位形

图 2.1 托卡马克装置磁场位形图子体放电运行期间，为了得到最优化的实验放电参数，要求正确反数[5,6]。但是许多放电参数比如等离子体放电位形，是无法通过测么准确快速重建等离子体放电位形就显得格外重要，这就需要进行衡计算。第一步是要得到等离子体在平衡状态时的各项参数的具体的方法之一是求解描述托卡马克装置等离子体的平衡状态方程—程[29-31]。称的环形磁场位形中，等离子体的平衡状态可以由G-S平衡方程来是等离子体平衡反演计算的根本理论依据。流体力学方程满足：ddvp J Bt 马克装置等离子体放电过程中，达到平衡状态时，满足磁约束等离
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL631.24

【参考文献】