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等离子体对共振磁扰动的流体和动理学响应的模拟研究

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物理学报 2023年第7期72卷 287-303页

作者：周利娜胡汉卿刘钺强段萍陈龙张瀚予大连海事大学理学院大连116026 美国通用原子公司圣地亚哥92186-5608

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... 详细信息

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.

关键词：共振磁扰动等离子体响应线圈电流优化漂移动理学效应

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

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核技术 2024年第5期47卷 44-54页

作者：刘艺慧子张能刘钺强龚学余王硕李春雨王炼郝广周南华大学核科学技术学院衡阳421001 核工业西南物理研究院成都610041 美国通用原子公司圣地亚哥92186-5608

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(Re... 详细信息

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。

关键词：共振磁扰动边缘局域模等离子体响应动理学效应

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

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物理学报 2021年第9期70卷 293-304页

作者：苏春燕牟茂淋陈少永郭文平唐昌建四川大学物理学院成都610065 四川大学高能量密度物理及技术教育部重点实验室成都610065

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... 详细信息

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.

关键词：共振磁扰动等离子体响应共振场放大效应粒子轨道径向展宽

共振磁扰动对EAST中粒子轨道行为影响的数值模拟

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共振磁扰动对EAST中粒子轨道行为影响的数值模拟

作者：林啸浙江大学

学位级别：硕士

共振磁扰动能有效的缓解或抑制托卡马克装置中的边缘局域模从而提高高约束模的维持时间,对于实现聚变堆的高参数运行有着不可或缺的重要作用。然而,尽管共振磁扰动对边缘局域模缓解或抑制作用,但是它同样不利于边缘等离子体的约束,导致... 详细信息

共振磁扰动能有效的缓解或抑制托卡马克装置中的边缘局域模从而提高高约束模的维持时间,对于实现聚变堆的高参数运行有着不可或缺的重要作用。然而,尽管共振磁扰动对边缘局域模缓解或抑制作用,但是它同样不利于边缘等离子体的约束,导致大量粒子损失,从而影响到等离子体稳态进行。近年来我国的EAST托卡马克装置也开始进行外加共振磁扰动的实验,得到了许多粒子输运有关的实验结果。本文首先利用自主开发磁流体模拟程序CLTx模拟EAST在外加共振磁扰动场后得到准稳态的磁场位形,然后通过自主开发的粒子模拟代码研究此稳态磁场下粒子输运。我们研究了不同相位的共振磁扰动场对粒子输运的影响。我们发现不同相位的共振磁扰动场对最终得到的准稳态磁场位形有相当不同的影响。当上下线圈具有2000相位差的共振磁扰动场会导致在远离边界区域产生较大尺度磁岛,而00和900相位差的共振磁扰动场只产生微小磁岛。试验粒子模拟发现较大磁岛结构可以束缚大量粒子导致内部输运壁垒的形成,从而改善等离子体约束。但是微小磁岛会增加整体粒子的损失。同时也对EAST位形下中性束注入的高能量离子输运进行了探讨。

关键词：共振磁扰动托卡马克 EAST 粒子输运中性束注入

HL-2A中环向旋转影响等离子体对共振磁扰动的响应过程

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物理学报 2020年第19期69卷 133-141页

作者：陈撷宇牟茂淋苏春燕陈少永唐昌建四川大学物理学院成都610065 四川大学高能量密度物理及技术教育部重点实验室成都610065

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... 详细信息

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.

关键词：托卡马克等离子体响应旋转频率共振磁扰动电阻效应

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环向等离子体对共振磁扰动响应的模拟研究

环向等离子体对共振磁扰动响应的模拟研究

作者：胡汉卿大连海事大学

学位级别：硕士

边缘局域模是托卡马克装置在高约束运行模式下产生的一种呈周期性爆发的不稳定性,在未来大型的托卡马克装置中,由于台基区等离子体碰撞频率较低,所以会产生大振幅、低频率的Ⅰ型边缘局域模。Ⅰ型边缘局域模的爆发会导致托卡马克装置真... 详细信息

边缘局域模是托卡马克装置在高约束运行模式下产生的一种呈周期性爆发的不稳定性,在未来大型的托卡马克装置中,由于台基区等离子体碰撞频率较低,所以会产生大振幅、低频率的Ⅰ型边缘局域模。Ⅰ型边缘局域模的爆发会导致托卡马克装置真空壁和偏滤器受到大量粒子和能量的轰击,对装置的使用寿命造成不可逆影响,所以对Ⅰ型边缘局域模的控制是托卡马克装置研究过程中的关键问题,共振磁扰动法是控制边缘局域模最有效的手段之一。两个与边缘剥离效应相关的优化参数对等离子体响应的预测有着较高的一致性,这两个优化参数分别为等离子体区域中最外层有理面处扰动场的径向分量bres(tot)1和等离子体分界面X点附近的扰动位移ξx。本文根据上述两个优化参数,基于EU DEMO 2015和EU DEMO 2019两个平衡,使用全环线性单流体模型MARS-F和磁流体力学-漂移动理学混合模型MARS-K代码系统地研究了等离子体对共振磁扰动的流体和动理学响应。针对EU DEMO 2015的设计平衡,基于等离子体对外加三维共振磁扰动场的响应研究了 DEMO装置中边缘安全因子q95窗口及共振磁扰动线圈的电流优化。本文共计算了四种环向模数n=1～4下的等离子体响应。研究发现当新的有理面经过等离子体边缘特定区域时,等离子体响应在特定的q95窗口出现显著放大,放大峰值的个数y 与环向模数n呈正相关(即y≈nΔq95)。上下两组线圈电流相位差的最优值与q95之间呈线性关系,线圈电流幅值的优化不改变电流相位差的最优值,但可以增大包含等离子体响应的总共振磁扰动场。包含热粒子和高能粒子的动理学效应模型的研究结果表明,对于低β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。采用MARS-F和MARS-K代码,系统地研究了 EU DEMO 2019平衡下等离子体对共振磁扰动的响应,特别强调了热粒子与氘-氚聚变产生α粒子的动理学效应对等离子体响应的贡献。研究结果表明,当等离子体压强为DMEO设计的目标值βN=2.78(β接近βNNW)时,线性单流体电阻模型预测的n=1等离子体响应场会显著放大。而使用包含背景粒子和聚变产生α粒子动理学效应的先进等离子体响应模型的研究发现,漂移动理学效应会抑制等离子体响应的这一放大现象,其中α粒子的进动漂移起主导作用。包含强平行声波阻尼(κ‖=1.5)的流体模型可以很好地再现动理学模型计算的DEMO等离子体响应振幅和扰动位移。

关键词：共振磁扰动等离子体响应漂移动理学效应边缘局域模控制

EAST中n=4共振磁扰动下等离子体的环向旋转制动

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核聚变与等离子体物理 2020年第4期40卷 294-299页

作者：李心宇孙有文臧庆李颖颖中国科学院等离子体物理研究所合肥230031 中国科学技术大学研究生院科学岛分院合肥230027

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... 详细信息

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。

关键词：共振磁扰动旋转制动磁制动效应动量输运新经典粘滞

EAST共振磁扰动线圈电源响应延迟分析及优化

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核聚变与等离子体物理 2017年第2期37卷 194-198页

作者：陈坤高格中国科学院等离子体物理研究所合肥230031

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... 详细信息

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。

关键词： EAST 共振磁扰动响应延迟多次采样延时数据更新

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外加共振磁扰动对高能量粒子损失的影响

外加共振磁扰动对高能量粒子损失的影响

作者：黄浩天华中科技大学

学位级别：硕士

从上世纪50年代末至今,磁约束聚变取得了巨大的进展,但也面临着许多未解决的问题,如高能量粒子(高能量离子和逃逸电子)的约束。在托卡马克装置中,高能量离子包括核聚变反应产生的α粒子和辅助加热如中性束注入(neutral beam injection,N... 详细信息

从上世纪50年代末至今,磁约束聚变取得了巨大的进展,但也面临着许多未解决的问题,如高能量粒子(高能量离子和逃逸电子)的约束。在托卡马克装置中,高能量离子包括核聚变反应产生的α粒子和辅助加热如中性束注入(neutral beam injection,NBI)产生的快离子,它们对于等离子体的加热、动量输入非常重要,若产生损失会极大地危害装置的稳定运行和寿命。而种子逃逸电子一旦产生而没有及时排出,它们经雪崩放大后会形成逃逸电流,若它们以高能量电子束轰击装置内壁,会对装置造成严重的损伤,甚至击穿装置。另一方面,在托卡马克装置中,外加共振磁扰动(resonant magnetic perturbation,RMP)被广泛地用于抑制或缓解台基区边界局域模(edge localized mode,ELM),但同时RMP会破坏托卡马克磁场的结构,使高能量粒子的约束变差而从等离子体中损失。因此,研究RMP对高能量粒子损失的影响具有重要的意义。托卡马克因其具有轴对称性而对带电粒子具有良好的约束性能。但当其磁场位形的轴对称性被破坏后,高能量离子的径向漂移速度在反弹/通行平均后不为零,可能产生漂移损失。目前对于RMP影响高能量离子损失主要认为是由轨道共振引起,即高能量离子的环向进动频率和反弹频率的比值满足一定条件时,它们的轨道能与RMP发生共振而从等离子体中损失。但是对于台基区中的高能量离子,强径向电场会影响其环向进动频率,进而影响其漂移损失。此外,RMP还可能破坏托卡马克平衡磁场的结构而形成随机化磁场,增加高能量粒子的随机输运水平。本文的研究重点是台基区非轴对称磁场引起的高能量离子漂移损失以及随机磁涨落引起的高能量粒子输运损失。对于台基区的高能量离子漂移损失,本文采用单粒子轨道模型,忽略拉莫尔半径和香蕉/通行轨道宽度的影响,推导了高能量离子的运动方程组,包括非轴对称磁场中高能量离子反弹/通行平均的径向漂移和包含了强径向电场的环向进动。采用DIII-D台基区典型等离子体参数,通过数值方法求解了高能量离子的漂移损失时间并分析了其与各参数的依赖关系,本文发现:(1)通行高能量离子的约束很好,不会从等离子体中漂移损失;(2)深度捕获高能量离子能从等离子体中漂移损失,但损失的参数值范围很窄;(3)捕获高能量离子的漂移损失时间随高能量离子的能量、RMP的最大幅度、磁轴处等离子体安全因子、等离子体电流密度剖面峰化因子增加而减小,随径向电场最小值的绝对值、高能量离子的类pitch角参数、RMP极向模数增加而增加。这表明RMP可能使垂直NBI产生的高能量离子约束比切向NBI产生的高能量离子差。台基区强径向电场大大降低了捕获高能量离子的进动频率,对捕获高能量离子的损失起了重要作用。我们进一步发现捕获高能量离子的漂移损失时间比其慢化时间小3个量级。因此,RMP引起的DIII-D台基区捕获高能量离子漂移损失是一种重要的损失机制。对于随机磁涨落引起的输运损失,本文对J.R.Myra不同随机磁涨落谱宽极限下的径向随机扩散系数进行了完善,并得到了适用于任意谱宽情况下径向随机扩散系数的通用连接公式,该通用连接公式在解析和数值上都能很好地重现J.R.Myra在各谱宽极限下得到的结果。另外,本文还用该通用连接公式计算了ITER装置中α粒子和逃逸电子以及J-TEXT装置中逃逸电子的径向随机扩散系数,发现随机磁涨落引起的α粒子或NBI高能量离子输运损失不重要,但是随机磁涨落引起的逃逸电子输运损失很重要,特别是对于将来的大型托卡马克装置。因此,通过提高随机磁涨落增加逃逸电子的输运损失,有望为将来大型托卡马克装置中避免逃逸电流的形成提供一种方法。

关键词：托卡马克共振磁扰动高能量粒子漂移损失径向随机扩散系数