等离子体对共振磁扰动的流体和动理学响应的模拟研究

本文利用MARS-F/K程序和解析方法,模拟研究了‘类-DEMO’平衡下等离子体对共振磁扰动的流体响应和动理学响应.研究发现,当新的有理面经过等离子体边缘台基区时,最外层有理面处总径向扰动场b_(res(tot))^(1)和等离子体边界X点附近扰动位移ξ_(X)两个优化参数在特定的q95(95%归一化极向磁通量处的安全因子)窗口出现峰值,峰值的个数y与环向模数n呈正相关,即y≈n△q95(△q95=3.5).上下两组线圈电流相位差的最优/差值与q95之间满足线性依赖关系,可用线性函数进行拟合.线圈电流幅值的优化不改变电流相位差的最优值,但可以增大优化参数ξ_(X).线圈电流幅值的最优值依赖于环向模数n.包含背景粒子和高能粒子动理学效应的结果表明,对于低β(等离子体比压值)等离子体,动理学响应与流体响应保持一致,与有无强平行声波阻尼无关;而对于高β等离子体,在流体响应模型中需要考虑动理学效应的修正作用.考虑强平行声波阻尼(κ_(∥)=1.5)的流体响应模型能够很好地预测‘类-DEMO’平衡的等离子体响应.

EAST托卡马克上共振磁扰动对锯齿行为的影响

锯齿振荡是托卡马克装置上常见的磁流体不稳定性之一.先进实验超导托卡马克(experimental advanced superconducting Tokamak,EAST)装置放电中观察到外加共振磁扰动(resonant magnetic perturbation,RMP)会影响锯齿振荡行为.本文研究了环向模数n=2的RMP对锯齿周期的影响.通过RMP线圈相位差扫描实验发现,当RMP上下线圈(n=2)相位差ΔφUL发生变化时,扰动场的谱型发生变化,锯齿周期和崩塌幅度也随之发生明显的改变.单流体电阻磁流体力学(MARS-F)程序分析表明,在相同实验条件下,当RMP上下线圈(n=2)相位差为ΔφUL=270°时,等离子体芯部区域的响应最强,此时锯齿周期和幅度最小.锯齿行为的改变可能与RMP引起的快离子损失相关.该研究利用RMP上下线圈(n=2)实现对锯齿行为的有效调控,有利于未来EAST发展高比压放电条件下的大锯齿自动控制技术.

HL-2A共振磁扰动线圈电源的方案设计与仿真

介绍了共振磁扰动(RMP)电源的电路拓扑结构,基本元器件的选取,初步控制方案以及电路相关的计算与仿真。RMP线圈将由最大4k A的直流电流或者最大频率1k Hz最大4k A的交流正弦电流供电。通过选择合理的电源结构和控制方式,以实现响应速度快和电流纹波小的要求,并使RMP线圈电源满足ELM控制的需求,尽量降低对等离子体控制的不利影响。

托卡马克等离子体中共振磁扰动场放大效应对离子轨道特性的作用

首先,利用MARS-F程序模拟了HL-2A装置中不同电阻率、环向旋转频率和环向模数条件下等离子体对共振磁扰动(RMP)的线性响应过程,分析了不同情况下共振场放大效应对三维扰动磁场的影响;然后,利用Boris算法追踪了三维场作用下的离子轨道,并详细探究了不同扰动磁场改变离子轨道特性的物理机制.研究发现,考虑等离子体响应后的扰动磁场可增强离子轨道径向展宽,且轨道最大径向展宽随轨道上扰动磁场平均值的增大而增大;同时,离子在通过扰动磁场被强烈放大的区域时轨道径向展宽会显著增加.该物理机制可用于解释RMP缓解边界局域模实验中离子直接损失增加和等离子体径向输运增强现象.

HL-2A中环向旋转影响等离子体对共振磁扰动的响应过程

利用MARS-F代码在HL-2A装置下模拟等离子体对共振磁扰动的线性响应过程,研究了等离子体旋转频率对响应的影响.研究发现,扰动场在有理面上的屏蔽效应在旋转频率较大时随旋转增大而增强,但在旋转频率较小时电阻导致的屏蔽效果最强处较有理面的偏移会影响这一规律;扰动场在非有理面上的放大效应主要由芯部扭曲响应引起,且同时与等离子体旋转频率和电阻密切相关.

EAST共振磁扰动线圈电源响应延迟分析及优化

为了提高EAST装置中共振磁扰动(RMP)线圈电源的输出电压、电流响应速度和输出特性,对共振磁扰动线圈电源的响应时间延迟进行了分析和优化处理。详细分析了对称规则采样和单极性倍频PWM调制过程所产生的时间延迟,针对该部分时间延迟提出了多次采样延时数据更新方法,对逆变电源控制器进行优化和改进。实验结果表明,采用该方法后电源输出响应时间延迟从206μs减小为70μs,可以满足EAST实验的需求。

HL-2A中线圈电流相位差影响等离子体对共振磁扰动的响应过程

等离子体对共振磁扰动的响应是理解共振磁扰动物理的关键,本文利用MARS-F代码在HL-2A装置真实等离子体位形下模拟等离子体对共振磁扰动的线性响应过程。在HL-2A装置中共振磁扰动线圈的上下线圈电流相位差的选择只能是180°(奇宇称)和0°(偶宇称),本文对这2种相位差下的响应情况进行了详细的比较分析研究。研究发现当RMP线圈电流相位为奇宇称时,产生的响应场更强,且能引起最大X点位移,更有利于ELM的控制,是HL-2A实验中选择的最优配置;扰动场在非有理面上的放大效应主要由芯部扭曲响应引起。

EAST中n=4共振磁扰动下等离子体的环向旋转制动

在EAST中n=4的共振磁扰动下观察到明显的等离子体旋转制动效应,其分布具有全局性,且峰值靠近等离子体中心。利用模拟得到的新经典环向粘滞(NTV)力矩来反演等离子体环向角速度的变化,结果表明在大部分径向区域与实验测量的速度变化符合得较好,量值上相差约1~2倍。

漂移动理学效应对HL-2A托卡马克共振磁扰动等离子体响应的影响

边缘局域模(Edge Localized Modes,ELMs)的控制是国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)及未来磁约束聚变堆安全运行必须解决的一个关键主题。近年来,大量的理论模拟和实验研究证明,共振磁扰动(Resonant Magnetic Perturbation,RMP)是一种非常有效控制边缘局域模的技术。为了更好地理解HL-2A托卡马克中ELMs的控制,本文基于HL-2A托卡马克实验上等离子体和RMP线圈的位形,使用MARS-F/K程序,计算了高约束模式下等离子体对RMP的漂移动理学响应,并与流体模型的结果进行对比;进一步对等离子体平衡压强、环向流以及热粒子碰撞效应等关键参数进行了敏感性研究。结果表明,随着归一化比压βN的增加,流体响应模型预测的等离子体响应幅度最初相对较弱,随后在接近无壁比压极限时发生强烈变化,但这一非物理因素“跳变”在动理学响应模型中得到了修正。此外,在考虑粒子碰撞效应的动理学响应中,捕获热离子的非绝热共振贡献显著;而忽略粒子碰撞效应,捕获热电子的进动漂移共振贡献则更加显著。由此可见在高比压等离子体响应中考虑动理学效应的重要性,尤其是在考虑粒子碰撞效应时,需要考虑捕获粒子的非绝热共振贡献。

托卡马克中旋转刹车对等离子体响应的影响

根据ASDEX-Upgrade托卡马克装置31131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MARS-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。

托卡马克装置中等离子体环向旋转对三维响应场的影响

本文利用MARS-F程序,数值研究了HL-2M托卡马克装置高比压等离子体中,环向旋转对外加共振磁扰动场的响应特性的影响.研究发现,等离子体响应显著改变共振磁扰动的谱分布,并影响等离子体内部共振磁扰动场与共振磁扰动线圈电流相位差的依赖关系,从而改变有理面处径向扰动场的幅值.当边界旋转频率较小时,在最外有理面处,等离子体响应对外加共振磁扰动场有明显的放大效应.通常,边缘局域模的控制效果依赖于最外有理面处共振磁扰动场的幅度,因此可通过控制旋转剖面实现对共振磁扰动场的调控,进而优化边缘局域模的控制方案.