EAST中被动板对磁流体不稳定性影响

作     者：刘广君 

作者单位：中国科学院大学 

学位级别：博士

导师姓名：万宝年

授予年度：2013年

学科分类：08[工学] 082701[工学-核能科学与工程] 0827[工学-核科学与技术] 

主      题：托卡马克 先进运行模式 被动板结构 磁流体不稳定性 电阻壁模 极向场线圈 

摘      要：托卡马克先进运行模式要求足够的环向比压βT以保证聚变功率密度，稳态运行要求高的自举电流份额进而要求高的极向比压βP，而βT、βP和βN存在关系β*Tβp=β2N(1+κ2)/8。由此，可以通过优化等离子体截面形状来接近先进托卡马克运行区间，具有垂直拉长位形的等离子体有利于提高等离子体参数已经得到充分的研究。但是，垂直拉长的等离子体位形会带来垂直位移不稳定性，因此垂直不稳定性的研究是先进型托卡马克研究必不可少的。另一方面，为了达到托卡马克先进运行模式所需要的高βN，必须对限制βN提高的不稳定性进行充分的研究，电阻壁模是限制βN的最重要不稳定性之一。\n EAST托卡马克装置中，被动板对这两种不稳定性的影响非常重要。EAST作为全超导的托卡马克，其中一个特征为等离子体距离外部极向场线圈和真空室的距离很远。因此，外部极向场线圈和真空室对垂直不稳定性的控制能力都比较小。真空室的等效半径大于理想扭曲模的稳定极限半径，也就是说，假如只有真空室，电阻壁模一直稳定而理想的外扭曲模始终不稳定。而被动板和等离子体的距离远小于真空室和等离子体的距离:对垂直不稳定性来说，被动板可以很大程度上减小垂直不稳定性的增长率，从而降低控制对主动控制线圈能力的需求;对电阻壁模来说，结合等离子体环向旋转，被动板使电阻壁模和理想的外扭曲模同时稳定成为了可能。\n 本文首先展示了EAST上电磁测量系统标定的结果。电磁测量作为获取托卡马克装置工程参数与等离子体内部信息的最基本、最有效的手段，其信号的准确性对获取实验信号、装置运行和实时控制、不稳定分析的意义重大。本文通过真空炮中实验数据和格林函数计算结果对比对EAST电磁测量信号进行标定，由此给出了EAST上电磁测量系统的系数、误差源分布和总的误差大小，并根据此分析结合EFIT反演得出了EFIT反演的位置误差。\n 其次，讨论了两类被动板-上下反对称的被动板结构（设计）和分段的被动板（目前EAST的被动板）-对垂直不稳定性的抑制作用。首先，使用等离子体刚体模型，推导出垂直不稳定性增长率和稳定区间的表达形式。并通过数值模拟，得出两类被动板在不同等离子体宏观参数κ、li、β下对垂直不稳定性增长区间和增长率的影响。得出上下反对称的被动板可以使垂直不稳定性增长率降低一个量级、分段的被动板可以使垂直不稳定性增长率至少降低为原来一半的结论。\n 最后，利用chease和MARS程序对EAST上电阻壁模进行了前瞻性的数值模拟研究。首先，讨论了使用一维模型研究复杂被动板的可行性和具体方法。发现强场侧的被动结构对电阻壁模影响很小，而弱场侧被动结构对电阻壁模影响很大，根据此结果我们设计了一个一维的电阻层来代表被动板对电阻壁模的影响。其次计算得出EAST上βno-wallN和βidenl-wallN分别约为3li和4.5li。最后，研究了不同旋转剖面下，电阻壁模稳定的旋转阈值。发现在我们使用的正剪切位形下（q0(=)1.5、qedge=4.5），在q=2的有理面附近的旋转对电阻壁模的影响最大;在q2的区域，由于m=3和m=2模的耦合，使此区域的旋转对电阻壁模的影响也比较大;对q2且远离q=2有理面的区域，由于我们使用的位形没有q=1的有理面，故此区域的旋转对电阻壁模的影响较小。