紧凑型聚变裂变混合堆自举电流的数值模拟研究

以平衡程序Jsolver 为基础开展了紧凑型聚变裂变混合堆先进等离子体平衡位形设计,重点研究了反剪切运行模式,并在此位形下研究了自举电流的计算、分布及份额。     

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以平衡程序Jsolver 为基础开展了紧凑型聚变裂变混合堆先进等离子体平衡位形设计,重点研究了反剪切运行模式,并在此位形下研究了自举电流的计算、分布及份额。     

FEB反剪切位形堆芯物理

本文讨论了反剪切位形的特性和研究近况。从MHD稳定性和自举电流份额之间折衷考虑推导出它们之间的相互关系并得到先进托卡马克运行空间图，找到了合理的FEB反剪切位形（FEB－RS）工作范围及相应的温度、密度分布，计算了FEB－RS的堆芯物理参数。研究表明，在同样尺寸下堆芯等离子体性能大大提高。     

托卡马克等离子体不同运行模式下的电子回旋波电流驱动

在给定等离子体密度分布下，从电子、离子的能量方程出发，根据不同运行模式下等离子体的热传导率不同，分别求出了中心负剪切模式，常规剪切H模式和L模式下的等离子体温度分布，然后通过求解波迹方程与相对论情况下的Fokker-Planck方程，分别计算了这些模式下的电子回旋波电流驱动和波功率沉积.得到在中心负剪切下，驱动电流最大，驱动效率最高，功率沉积和电流分布区间跨度大；在常规剪切H模式下，驱动电流较小，分布区间跨度比较窄，驱动效率相对较低；在常规剪切L模式，驱动电流效率最低，分布区间跨度也非常集中. 关键词： 托卡马克 电子回旋波电流驱动 中心负剪切 常规剪切     

高性能自持燃烧的氘氚等离子体

在等离子体密度分布一定的情况下，从电子、离子的能量输运方程出发，对常规剪切和中心负剪切位形下高性能自持燃烧的氘氚等离子体进行了研究.常规剪切下采用与能量约束改善因子H有关的Bohm热传导系数，中心负剪切下采用一个与磁剪切有关的Bohm-gyro-Bohm混合型的热传导系数，并考虑了α粒子反常扩散和动态反馈加热对氘氚自持燃烧的影响.研究结果表明，常规剪切下当H≥3时，才有较大的能量输出，当H接近4时无须动态反馈加热氘氚就能获得自持燃烧；在中心负剪切位形下，等离子体的运行性能更高，有更高的能量输出，一旦氘氚达 关键词： 高性能等离子体 氘氚自持燃烧 中心负剪切     

HL-2A装置的LHCD运行区域与驱动电流分布控制

讨论了低杂波电流驱动（LHCD）实验中电流驱动效率、电流分布控制与等离子体参数和入射波谱的关系,以及波的可近性对确定功率沉积分布的作用。讨论了控制电流密度分布的方法及在HL－2A装置上实现中心负剪切位形的可能性。     

中国环流器2号A托卡马克弹丸注入放电中空电流与反磁剪切位形

具备弱剪切或负磁剪切和内部输运势垒的托卡马克运行方式被认为是提高聚变性能的最有前途的方法.中空电流密度剖面与反磁剪切位形是改进堆芯约束和形成内部输运垒的关键条件之一.在中国环流器2号A(HL-2A)弹丸注入实验中,成功地实现了维持时间约为100 ms的中空电流放电.伴随着中空电流剖面的形成,同时形成了反磁剪切位形.由于欧姆加热功率不太高,且没有外部辅助加热,只能在稳定的中空电流放电阶段看到内部输运垒形成的趋势.在弹丸注入后,电子热扩散系数显著降低,说明弹丸深度注入改善了能量约束.等离子体性能的增强:一方面是由于弹丸注入造成中心高度峰化的电子密度剖面;另一方面是由于等离子体中心存在负磁剪切.同时,中空电流位形有利于改善高密度等离子体的稳定性.结果还表明,在中空电流放电中,等离子体比压值是低的.为了提高βN极限,可在等离子体边界附近放置导电壁.HL-2A弹丸注入实验的结果,为在限制器托卡马克上获得高参数放电提供了一种可能.     

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使用Jsolver程序及托卡马克模拟程序TSC对紧凑型聚变裂变混合堆系统的反剪切平衡位形、自举电流份额及放电模拟进行数值模拟研究,以此探讨该混合堆的可行性和先进性.     

零维系统模型改进及其对EAST稳态运行区的分析和预测

零维系统模型已广泛应用于下一代托卡马克装置设计以及聚变反应堆等离子体性能的预测和分析,但普遍采用物理近似和经验公式会导致较大的系统性误差.本文通过引入等离子体平衡程序使主要等离子体分布参数及其计算基于磁面信息,引入Sauter模型的自举电流系数与碰撞率变化关系改进自举电流计算,利用EAST上的实验结果对改进后的模型进行验证,零维系统模型计算结果与动理学平衡分析结果基本符合.利用改进模型从已有实验结果出发,对EAST上实现500 kA等离子体电流的稳态、长脉冲运行区所需要的加热/电流驱动功率及其能够达到的归一化比压进行了分析和预测.计算结果表明,EAST在7.0—9.5 MW加热/驱动功率,约束改善因子H98为1.25—1.35,归一化密度fnG约为0.9的参数范围内可以实现500 kA等离子体电流且自举电流份额在50%以上的稳态运行;9.5 MW加热/驱动功率,H98为1.0—1.4,fnG为0.8—1.0的参数范围可以实现较高性能的长脉冲或稳态运行.综合来说,提升等离子体约束性能,可在较低的加热/驱动功率下实现同样等离子体参数的完全非感应运行,扩展等离子体运行区,是实现高参数等离子体...     

EAST低混杂波功率沉积和电流驱动剖面控制的数值模拟

对原有的低混杂波电流驱动模拟程序进行改进,使之能够研究EAST上如何控制低混杂波功率沉积和电流驱动分布.在EAST非圆截面的平衡位形下,应用改进后的程序详细计算不同低混杂波功率谱、等离子体密度和温度分布对低混杂波功率沉积位置和电流驱动剖面分布的影响.通过计算发现,选取合适的低混杂波功率谱,等离子体温度分布和密度分布可以对功率沉积位置和电流驱动分布的剖面进行控制;调节等离子体温度分布可以很好的控制低混杂波近轴电流驱动分布和离轴电流驱动分布.     

On confinement characteristics of the newly developed sawtooth-free plasmas in KSTAR tokamak

Development of advanced scenarios, an important experimental goal of the Korea superconducting tokamak advanced research (KSTAR) project, has just begun. The safety factor (q) profile is a key to achieve these advanced scenarios. Particularly the hybrid scenario, one of the advanced scenarios, can be established generally with low magnetic shear (s) at the center with central q-value above unity so to avoid sawtooth instability. This q-profile was successfully produced using early divertor formation during a plasma current ramp-up phase in KSTAR. Auxiliary heating was also employed during the current ramp-up phase to delay the inductive current diffusion to the center of the plasma. In addition to the early divertor formation method, the target q-profile was attempted to be achieved by modifying the plasma current waveform using the so-called, ‘current-overshoot’ method and the timing of L-mode to H-mode transition. In this work, the confinement characteristics of these sawtooth-free regimes are investigated. The global energy confinement time is calculated and compared with that of conventional H-modes in KSTAR. The confinement enhancement factor reveals that the newly developed discharges are not improved over H-modes contrary to results of other tokamaks. To investigate the reason, transport modeling is performed self-consistently with an integrated simulation package incorporating plasma equilibrium, transport, and heating and current drive. The current ramp-up phase is simulated and impact of early divertor formation, current-overshoot, and early L–H transition on the target q-profile and s/q profile is addressed. The s/q profile is found to be not improved in these discharges compared with hybrid scenarios reported in other tokamaks. Based on these results, future experimental directions are addressed to access the hybrid regimes in KSTAR.     

Analytic description of tokamak equilibrium sustained by high fraction bootstrap current

By using an expansion technique based on the tokamak ordering, the Grad－Shafranov equation is analytically solved for tokamak equilibrium sustained by a full bootstrap current. This approximate approach is suitable for equilibria with non-circular cross-sections of modest ellipse and triangular deformations. As an input parameter set, the plasma pressure profile and the electron and the ion temperature profiles can be selected as arbitrary functions of the averaged minor radius. Equilibrium properties of this plasma are discussed.     

由电磁测量信号估算平衡磁面

在Tokamak等离子体实验结果分析中实际的平衡磁面是极需要的。本文试探从电磁测量信号推得平衡磁面。 一、自由边界平衡程序 借助于自由边界平衡程序计算中等托卡马克装置HT-6M的平衡量。从MHD平衡方程出发,     

Quasisteady high-confinement reversed shear plasma with large bootstrap current fraction under full noninductive current drive condition in JT-60U

A quasisteady reversed shear plasma with a large bootstrap current fraction ( approximately 80%) has been obtained for the first time in the JT-60U tokamak. The shrinkage of reversed shear region was suppressed by the bootstrap current peaked at the internal transport barrier (ITB) layer and the ITBs at a large radius were sustained, which, by combination with an H-mode edge pedestal, resulted in a high confinement or 2.2 times the H-mode scaling for 6 times energy confinement time or 2.7 s. Furthermore, a full noninductive current drive was obtained by the bootstrap current and the beam driven current.     

MM-4U中等离子体约束位形和不稳定性的实验研究

给出了MM-4u中等离子体约束位形和不稳定性的实验结果。测得的等离子体电位轴向分布表明,该装置中能够建立起负电位轴对称串级镜约束位形;测得的密度分布与电位分布有相似形式。初步探索了等离子体参数与工程参数的关系。实验还发现在低密度情况下存在低频振荡。通过对振荡信号进行线性相关分析,根据扰动的振荡和传播特性,推断出这种振荡为离子声不稳性。不稳定性产生的可能机制是由于电子束穿过低密度本底等离子体的漂移速度超过离子声速而激发起来的。 关键词：     

Tokamak equilibria with reversed current density

Observations of nearly zero toroidal current in the central region of tokamaks (the "current hole") raises the question of the existence of toroidal equilibria with very low or reversed current in the core. The solutions of the Grad-Shafranov equilibrium equation with hollow toroidal current density profile including negative current density in the plasma center are investigated. Solutions of the corresponding eigenvalue problem provide simple examples of such equilibrium configurations. More realistic equilibria with toroidal current density reversal are computed using a new equilibrium problem formulation and computational algorithm which do not assume nested magnetic surfaces.     

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采用本征模式的数值打靶方法研究了离散阿尔芬本征模在DⅢ-D高性能运行条件下的物理特性,包括负磁剪切位形、高性能加热、正反中性束注入、内部输运垒以及高自举电流和甚高约束运行状态对这种阿尔芬模式的影响。在DⅢ-D托卡马克装置负磁剪切位形及先进运行状态实验参数下这些离散阿尔芬本征模存在于宽的径向区域,且具有广泛的本征频谱;高性能加热、同向中性束注入以及内部输运垒的存在有利于产生多个较深的气球模驱动势阱,由之得以很好地形成这种阿尔芬束缚态本征模;在高自举电流和甚高约束运行条件下这些离散阿尔芬本征模束缚态能够在更广的径向区域存在,且可具有较高的本征频率。另外,参照DⅢ-D装置放电实验数据的时间演变情况,这些离散阿尔芬本征模能在很宽的运行参数范围内出现,使之成为该类大型托卡马克实验中可能广泛存在的潜在不稳定性。