原因和频率托卡马克运行限制.ppt

HT-7等离子体破裂预警研究,凌必利，提昂，刘永，李二众，卢洪伟 2009年11月10日,2009年冬季HT-7物理实验提案,内容,实验背景 研究内容 研究方法 预期结果,实验背景,等离子体破裂的实验研究，对于未来的大型托卡马克装置来说越来越重要破裂可能导致大的作用力，施加在托卡马克真空室及内部部件上；在毫秒量级的时间尺度，大量的等离子体能量沉积在第一壁材料上，造成损害（Federici et al 2001 Nucl. Fusion 41 1967），因此需要开展避免等离子体破裂或者减轻由于等离子体大破裂造成直接重大危害的实验研究对ITER的影响及重要性,对于ITER，破裂以及由于破裂产生的影响给托卡马克的设计和等离子体运行带来了巨大的挑战IPB),,物理学,结构工程,热学工程,第一壁材料的热排除能力的内在限制,基于,由于破裂产生的热量，沉积在面向等离子体第一壁所导致的问题，非常难以解决严重的连续破裂产生的腐蚀后果极有可能严重影响偏滤器的使用寿命破裂后预计的碳升华会造成偏滤器和面向等离子体器件表面改性及碳共沉积层中氚滞留的问题破裂后产生的相对论电子（逃逸电子）对于ITER面向等离子体器件表面会带来又一种威胁 。

通过库伦碰撞雪崩增殖，将等离子体电流以极高的效率转化为相对论电子电流（逃逸电子电流）预计在自然发生的破裂或者人们有意诱发的快速等离子体电流关断之后，这个转化可达到初始等离子体电流的70%随后的不可控制的强度很大逃逸电子电流和面向等离子体器件表面发生的相互作用，具有发生一次就给面向等离子体器件表面和他们的基底造成局部的显著的危害的潜在威胁破裂的特征、原因和频率,托卡马克运行限制,,电流限制,密度限制,压强限制,当等离子体运行接近或者超过三种运行限制条件中任何一个时，典型的是，MHD活动增加，最终导致破裂 MHD不稳定性快速增长的结果，在目前的托卡马克装置中，大破裂将大部分等离子体热能甩出，其时间尺度为~100微秒 随后发生电流熄灭和VDE， 在目前中等装置上，这个时间尺度为~5毫秒对于ITER装置，外推其电流熄灭的时间尺度为~35毫秒 破裂之后的电流熄灭导致了在等离子体内较大的电场，从而产生了超热电子，能量在10-100兆电子伏在目前较大装置，观察到有50%的等离子体电流转化为逃逸电流一旦形成，只要等离子体平衡不被破坏，逃逸电子可以能够约束的很好最后逃逸电子和PFC发生相互作用这种相互作用可以导致局部表面和材料基底温度升高，发生蒸发和热冲击，对于金属，在热作用区域将发生重结晶，缺陷发展。

大破裂的机制,,磁重联 等离子体输运：传导和对流，导致等离子体中心区域 热能和磁能快速损失，这种内破裂和锯齿振荡类似， 但是全局改变了电流分布和磁剪切非线性理想螺旋不稳定性（冷泡） 全局的电阻增加，以致电流熄灭在锯齿期间，对杂质的快输运过程的观察和这种机制是相符合的破裂的原因及频率,从托卡马克运行，破裂的原因,,先行的MHD 不稳定性， 等离子体能量约束， 能量平衡扰动,运行的和托卡马克 引起的破裂,,,“密度限制”破裂 “冷边界”破裂 新经典撕裂模，撕裂模增长， 锁模，内部压强梯度引发的 破裂,,硬件故障如欧姆电源系统， 中性束加热的关断，过量 的气体加料，第一壁杂质 的析出，真空室内璧碎片 进入等离子体，等离子体 壁条件，等离子体控制系 统故障，有意的弹丸注入， 大量的气体注入等,热熄灭能量损失及沉积,破裂期间，等离子体热能，磁能流及沉积地点简图,破裂时等离子体能量幅度及热能,在Q=10的ITER “ELMy” 高约束模的放电条件下，等离子体热能和等离子体内磁能分别约为350MJ,390MJ.这还未考虑其余的约200MJ磁能．预计对于ITER,在破裂后期，会使得第一壁（铍）的表面温度升高，直至融化．因此在电流熄灭期间对磁能的沉积需要给予更多的考虑，尤其是高辐射分量的热熄灭．,热熄灭的持续时间,热熄灭是指等离子体的热能通过传导,对流和辐射的方式,沉积在限制器和偏滤器表面.这个持续时间和装置的尺寸相关:对于小装置约几十微秒;中等装置约百微秒;对于JET为毫秒量级.对同一个装置,其明显的与破裂的类型,及MHD不稳定性的增长率等相关.同时有证据表明破裂前的磁剪切会影响热熄灭的时间长短.,热沉积的位置和表面,放电中时间分辨的功率沉积通常使用红外相机测量。

DIII-D，ASDEX-U，JT-60U，JET等装置，在环向一个或两个位置安装了红外相机，对不同的放电开展了偏滤器热通量的测量在等离子体刮削层以及破裂时HALO区域，温度和密度分布的演化通常不直接测量偏滤器功率沉积的红外测量显示，和破裂前“稳态”的刮削层宽度相比，热熄灭期间刮削层宽度扩大了很多磁能沉积,尽管等离子体磁能的很大的分量在等离子体电流熄灭期间，通过辐射方式排出，但是可以预计在ITER电流熄灭过程中，存在时间和空间局域的功率沉积，这在现存的托卡马克装置上已观察到 在电流熄灭期间，部分等离子体磁能转移到等离子体附近的导电线圈和机械结构上，对于ITER，由于较低的阻抗，较大的真空室时间常数，对于大多数快破裂和VDE事件，传给外部的磁能可以不计，对于慢破裂和VDE事件，可能存在这种转移电流熄灭动力学,在垂直拉长等离子体破裂的电流熄灭期间，等离子体电流的衰减和等离子体柱的移动，在附近环向等离子体导电结构上感应环向电流，且在与壁接触等离子体外“HALO”区域驱动不受力作用的螺旋电流流动感应的环向电流和等离子体外的HALO电流共同作用于等离子体电流衰减期间电流通道的动力学演化等离子体外的HALO电流分量通过联结真空室和真空室内的导电部件，会提高真空室内的HALO电流，在这些部件上产生作用力。

另外，等离子体电流衰减和等离子体柱移动，在附近面向等离子体导电部件上感应局域的涡流，该涡流和环向，极向磁场相互作用，会增加PFC的扭矩和作用力研究内容,在等离子体破裂前经常可以观察到MHD模不稳定性活跃，在等离子体某有理面上以磁扰动形式发生（G.Waidmann et al 1997 Rev.Sci.Instrum.68 492）.前兆不稳定性对于等离子体的压强和电子温度具有局域的影响通过电子回旋辐射信号，有可能提供提前告警，为缓解破裂争取时间．,在TEXTOR装置上,开展的破裂预报研究表明,通过ECE信号上探测到m/n=2/1的表征,可以在百毫秒量级,提前发出告警,为减轻大破裂造成重大危害,争取了提前量.,研究方法,本轮实验开展密度极限等离子体破裂的ECE信号表征研究. ECE系统计有16道,对应16个测量位置,通过改变环向场,试图接近相关的有理面,观测m/n=2/1不稳定性. 研究信号的时间相关,提出告警.,图5-1 HT-7运行区(1997-1999),Ｂy courtesy of Dr. Jie,,图3-4 石墨和钼限制器下HT-7托卡马克的Hugill 图,相关计算,预期结果,希望获得可用的信号. 获得提前量. 为实时告警提供基础.,谢谢!,。