托卡马克装置误差场的作用与对策研究InvestigationonEffectsand.PPT

托卡马克装置误差场的作用与对策研究Investigation on Effects and Countermeasure of Error Field in a Tokamak 项 目 批 准 号：项 目 负 责 人： 赵君煜 资 助 金 额： 80万元 起 止 年 月： 1999年1月-2002年12月 项目参加单位：中国科学院等离子体物理研究所、 核工业西南物理研究院、中国科技大学 项目研究意义 托卡马克装置的固有误差场可以引起危害极大的锁模类大破裂，是建造聚变反应堆的一个重要障碍。 实验发现过去不为人们所理解的无先兆大破裂以及某些隐含的不稳定性现象和约束变差的现象，都可能与锁模问题有关。 锁模类破裂限制了等离子体稳定运行区，它可发生在低密度、低q、密度极限的三条边界处。可发生在等离子体电流上升、平顶、下降的任何一个阶段。限制了各种先进运行模式（H模、VH模、Super-shot S模、hot-ion H模、反剪切位形、小球注入等）以及长脉冲运行（LHCD低混杂波电流驱动等）的实现。 锁模是由于装置本身固有的低 m,n=1模数误差场与等离子体m=2, n=1 撕裂模相互作用引发的。 Fitzpatrick等人提出共振静态误差场向着旋转的撕裂模渗透而与其相互作用，使磁岛停转并且幅值增大。用撕裂模非线性理论得到引起锁模的临界误差场的定标律，与CAMPASS-C、DIII-D、JET的实验结果基本一致。 装置尺寸越大，允许的临界误差场越小，锁模类破裂现象将越容易发生；等离子体密度越低，允许的临界误差场也越小。 外推到下一代国际联合核聚变堆ITER上，估计其允许的误差场值与纵场值之比为2?10-5，这意味着工程上允许的尺度公差仅2-3毫米。 在一些中、大型托卡马克装置（如DIII-D、JET），通过积极努力消除或补偿误差场，在扩大运行区和实现先进运行模式方面已取得明显效果。 人们主要通过外加补偿场的方法消除或补偿误差场，或通过高功率的中性束注入（NBI）增加等离子体的旋转剪切抑制MHD不稳定性的增长。 在HT-7超导托卡马克上进行的欧姆加热实验、离子回旋加热实验、低混杂波电流驱动实验中，观察到其等离子体稳定运行区的三条边界均受到锁模类大破裂的限制，阻碍着放电参数的提高和长脉冲运行的实现。 目前的误差场定标律是在常规托卡马克条件下提出和验证的，在HT-7这样的超导装置上影响如何需进一步研究。此项研究对HT-7U超导托卡马克在工程设计和安装公差要求方面提出重要的参考作用。 项目研究目标 研究误差场与电阻撕裂模相互作用引起大破裂的机理、以及临界误差场的定标律。 探索其补偿、消减或控制的措施，为实现高参数高约束态的长脉冲先进运行模式打下基础。 编制计算托卡马克磁场绕线的误差产生的空间误差场的计算程序，利用此程序计算HT-7的误差场 编制基于小波变换的、可进行锁模现象分析和定量研究撕裂模的演化过程的程序。 误差场研究课题，在HT-7和HL-1M上获取了丰富的实验结果，对误差场与电阻撕裂模相互作用引起大破裂的机理有了深入的理解。 经过探索和实验研究，取得了几种可用于补偿、消减或控制误差场引起锁模类大破裂的措施，并在HT-7的物理实验中验证，成为HT-7成功地实现高参数高约束态的长脉冲先进运行重要的保证之一。 为ITER误差场的控制研究提供了新途径 锁模不稳定性机制 托卡马克的理想导体壳对撕裂模具有强烈的稳定作用。导体壁是有限电阻的，一个纯增长性的模仅仅能够被电阻性壁慢化而不能够被完全稳定。 如果扰动模式具有一个旋转的实频率?rot，当?rot?w?1，撕裂模仍能被电阻性壁所稳定（ ?w ：电阻性壁的渗透时间常数）。随着?rot?w值的不断下降，壁的渗透和慢化转矩增加，旋转频率将不断下降，当旋转的相速度减小到零，此模式被锁定在真空室的一个和几个环向位置上。 模式锁定是一个非线性过程，旋转频率的减速度与磁岛宽度的三或四次方成正比，取决于模式锁定是否仅仅使共振面附近区域的流慢化，或者等离子体更刚性慢化。 锁模不稳定性磁扰动的两种来源 各种磁场线圈微小的非对称性产生的误差场，其先兆振荡存在时间通常很长。 由于电流剖面分布的变化，在有理面上发展起来的磁岛超过一定的阈值而触发的，其先兆振荡存在的时间较短，或者无明显的先兆振荡。 对于2/1撕裂模，临界磁场扰动满足关系：Br21/BT|r=a~(fR/BT)4/3n2/3，其中f是等离子体环向旋转频率。 对于欧姆加热等离子体，磁场扰动频率大约是电子漂移频率fDe: f? fDe ?kTe0/eBTa2 k是波尔兹曼常数，Te0是中心电子温度。 安全因子和环径比为常数时，由能量约束和密度的定标关系，可估计临界扰动