托卡马克中边缘局域模控制和误差场修正的数值研究

摘要

托卡马克中等离子体对三维磁场响应是聚变研究中非常重要的研究课题，包括利用共振磁扰动场控制边缘局域模、误差场修正、等离子体流阻尼、高压强等离子体中共振场的放大、电阻壁模的主动控制和其它磁流体不稳定性。研究已经证实，即使比背景（平衡）磁场小3-4个量级的外加三维场，仍可以对二维轴对称托卡马克等离子体的稳定和约束造成重要的影响，三维扰动场可以通过放大自己，来控制不同的不稳定性。 近些年的研究已经证实Type-Ⅰ边缘局域模会对未来托卡马克装置中的壁材料造成重大威胁，ITER装置上现有的壁材料和偏滤器材料只能承受边缘局域模爆发过程中20％的热负荷，因此控制边缘局域模是聚变领域中非常重要的研究课题。目前为止，外加共振磁扰动场是最简单、最有效的方法，可以很好地控制边缘局域模。在DⅢ-D、JET、MAST、ASDEX Upgrade、KSTAR、EAST等托卡马克装置中利用共振磁扰动技术可以很好地缓解和/或抑制边缘局域模，但是由于涉及的物理机制比较复杂，抑制边缘局域模的最终原因和必要条件仍是开放的问题。 在建造和运行托卡马克的过程中不可避免地存在非轴对称磁扰动场，尤其是环向模数n=1的误差场可以引起锁模，甚至会造成等离子体大破裂，所以利用外加磁扰动场修正误差场是聚变领域中非常重要的研究课题。在DⅢ-D、JET、MAST、EAST、KSTAR等装置中已经开展了误差场修正的实验。但是由于误差场修正的理论研究需要全环位型，这样才能为托卡马克装置提供更好的误差场修正建议，所以理论上并没有得到很好的发展。 利用外加磁扰动控制边缘局域模和修正误差场是很重要的研究课题。所以本文数值模拟与实验相结合，深入地分析实验结果，并解释其中的物理机制。 绪论部分主要介绍了不同种类的聚变装置，边缘局域模、利用共振磁扰动场控制边缘局域模和误差场修正的研究进展。 第二章简要介绍了MARS程序及其模型，该程序包含MARS-F、MARS-K和MARS-Q三个版本。介绍了如何利用MARS程序数值模拟环位型下等离子体对外加磁扰动的响应。 第三章利用MARS-F程序对DⅢ-D中等离子体对n=2偶线圈结构下的共振磁扰动场响应实验进行数值研究，利用线性等离子体响应模型，分别为电阻、旋转等离子体响应模型和理想、静态等离子体响应模型，该工作的研究目的是理解边界安全因子对等离子体响应的影响。不管是利用电阻、旋转等离子体响应模型还是理想、静态等离子体响应模型，在(q95，qa)空间中，低场区、高场区-A和高场区-B处的极向场都会出现等离子体响应的跳变。同时也观察到，利用电阻、旋转等离子体响应模型得到的跳变会更加明显。大的响应场和X点扰动位移与边缘剥离响应有关，边缘剥离响应也是产生跳变的原因。 第四章利用MARS-F程序对EAST中等离子体对三维共振磁扰动场响应实验的数值研究。在考虑等离子体响应时，数值模拟得到的最优线圈相位差与EAST中缓解和抑制边缘局域模的相位差一致。MARS-F模型中最外层有理面处扰动磁场和X点扰动位移的判定方法，既适用于边缘局域模的缓解，也适用于边缘局域模的抑制。 第五章利用MARS-F程序对EAST中误差场修正实验进行数值研究。基于使整个等离子体区域电磁矩最小的误差场修正判定方法，给定的n=1固有真空误差场包含多个极向谐波时，利用罗盘扫描法计算预测的2/1误差场可以同时与实验中的奇、偶修正线圈结构下罗盘扫描法的结果一致。而且罗盘扫描法预测的真空误差场与MARS-F程序中给定的误差场不同，该结果对误差场修正实验和利用罗盘扫描法确定固有误差场的方法有了进一步的理解。 最后，对现有工作进行总结，并对下一步的工作进行展望。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

绪论

1．1核聚变能源

1．2磁聚变装置

1．2．1磁镜

1．2．2箍缩装置

1．2．3环装置

1．3托卡马克中等离子体对三维磁场响应的研究进展

1．3．1托卡马克中利用共振磁扰动场控制边缘局域模的研究进展

1．3．2托卡马克中误差场修正的研究进展

1．4本文研究思路与研究内容

2 MARS程序的数值模型

2．2．1 电阻、旋转等离子体响应模型

2．2．2理想、静态等离子体响应模型

2．2 MARS-K／Q程序的数值模型

3 数值研究DⅢ-D中边缘安全因子对等离子体响应的影响

3．1 引言

3．2计算模型

3．3等离子体平衡和线圈布局

3．4 DⅢ-D中等离子体对共振磁扰动场响应的模拟结果与讨论

3．4．1 数值研究改变q95和qa对等离子体响应的影响

3．4．2固定q95，数值研究qa对等离子体响应的影响

3．4．3 固定等离子体边界，数值研究q95对等离子体响应的影响

3．5本章小结

4 EAST中等离子体对共振磁扰动场响应的数值模拟研究

4．1 引言

4．2等离子体平衡和线圈布局

4．3模拟结果与实验结果的对比

4．3．1等离子体响应的定义

4．3．2 系统扫描52340次参考放电实验的共振磁扰动线圈相位差

4．3．3数值模拟56360次边缘局域模缓解的放电实验

4．3．4数值模拟55272次边缘局域模抑制的放电实验

4．4本章小结

5 EAST中n=1固有误差场修正实验的数值研究

5．1 引言

5．2等离子体平衡

5．3利用等效面电流方法代替误差场

5．4误差场修正最优值的判定方法

5．4．1 Criterion A：完全消除q=2有理面的2／1场

5．4．2 Criterion B：使全局净电磁矩最小

5．4．3误差场修正步骤的总结

5．5模拟结果与实验结果的对比

5．5．1 基于Criterion A的误差场修正结果

5．5．2基于Criterion B的误差场修正结果

5．6本章小结

6总结和展望

6．1结论

6．2创新点

6．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介