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

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/B<10-4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/B>10-4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(Resonantmagnetic 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。

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