ITER相关的MHD问题 - EAST.PPT

ITER相关的MHD问题概述 王少杰 内容提要 1、Beta极限 2、先进约束模式相关的MHD不稳定性 3、破裂相关的不稳定性 1、Beta极限 1.1、理想MHD极限（Troyon极限） 在没有Sawtooth和导体壁稳定效应时理想MHD Beta极限为Troyon极限Beta_N3.5, Beta_N=Beta(%)/[I(MA)/a(m)B(T)], 或Beta_N=4li。 Troyon, F., et al., PPCF 26(1A) 209 (1984) 1.2、Resistive Wall Modes 理论和实验表明电阻壁对旋转等离子体有致稳作用。如果等离子体被理想导体壁包围，那么理想MHD Beta极限将超过Troyon极限。如果等离子体没有旋转，那么电阻壁只是将不稳定性的增长率减低到壁的电阻时间尺度。电阻壁模指的是缓慢穿透电阻性壁的增长模。 Bondeson, A., Ward, D.J., PRL 72, 2709 (1994) Strait, E.J., et al., PRL 74, 2483 (1995) 要稳定电阻壁模，等离子体的旋转频率必须超过一定的阈值。理论计算(~0.1Alfven频率)和实验观测(~0.01）有几倍的差别。这为预言ITER的电阻壁模稳定性带来困难。 目前正在研究用外部线圈反馈控制电阻壁模。 1.3、新经典撕裂模(NTM) 在低碰撞频率区，由于磁岛内的新经典自举电流的消失，新经典撕裂模被激发起来。由于自举电流正比于Beta值，NTM使得Beta极限低于理想MHD极限，能量约束时间同时降低。 q=2磁面附近的NTM可能导致破裂。 Qu, W.X., and Callen J.D., UWPR 85-5 Carrera, R., et al., PF 29, 899 (1986) Chang, Z., et al., PRL 74, 4663 (1995) 新经典撕裂模的激发必须有一个必要条件：Seed Island存在并且其宽度超过一定阈值，即必须预先存在一个足够大的种子磁岛。种子磁岛可以由Sawtooth和ELMs等触发。 Fitzpatrick, R., PoP 2, 825 (1995) Smolyakov, A.I., PPCF 35, 657 (1993) Wilson, H.R., et al., PoP 3, 248 (1996) 新经典撕裂模理论的最重要问题就是种子磁岛宽度阈值问题。另外新经典撕裂模的饱和问题也没有解决。这都给预言ITER中的新经典撕裂模的激发及其影响带来困难。 实验表明种子磁岛宽度阈值按离子极向Larmor半径定标。按此定标推算ITER中m/n=2/1新经典撕裂模的种子磁岛宽度阈值为几个厘米。因此有理由相信ITER中会有新经典撕裂模发展。计算表明由于新经典撕裂模的影响ITER的最大Beta_N为2-2.2。 Poli, E., et al., PRL 88, 07500 (2002) ITER中m/n=2/1新经典撕裂模增长缓慢（30秒达到饱和宽度的一半），因此反馈控制是可行的。计算表明要稳定m/n=2/1新经典撕裂模或至少控制其增长，需要30MW的ECRH在共振面上驱动局部电流。 NTM的控制 ECCD/ECRH Hegna, C.C., and Callen J.D., PoP 4, 2940 (1997); PFB 4, 4072 (1992) Giruzzi, G., et al., NF 39, 107 (1999) Zohm, H., et al., PoP 8, 2009 (2001) NBI Hegna, C.C., and Bhattacharjee, A., PRL 63, 2056 (1989) Sen, A., et al., NF 40, 707 (2000) Externally Applied Static Helical Field Yu, Q., et al., PRL 85, 2949 (2000) 可能的高能离子效应 高能离子与NTM的共振作用影响其频率 Marchenko, V.S., and Lutsenko, V.V., PoP 8, 510 (2001) 高能离子在NTM激发中的可能的作用 Fredrickson, E.D., PoP 9, 548 (2002) 1.4、Locked Modes（锁模） 误差场(Br/Bt~10^-4)可以导致低m/n锁模，即等离子体中的非旋转电阻性MHD不稳定性。这是由于误差场会导致旋转变慢并最终停止。模旋转一旦停止，其幅度会进一步增长，从而使约束变坏并导致破裂。 Nave, M.F.F., and Wesson, J.A., NF3