等离子体理论和模拟研究进展

2006年等离子体理论与模拟研究室主要围绕以下2个方向展开了研究活动。进行了HL-2A装置的升级改造和实验的数值模拟，例如：HL-2A装置弹丸注入实验模拟和HL-2M装置平衡位形设计；对一些热门的等离子体物理问题进行了研究，例如：Streamer与电子温度梯度湍流的相互作用，剪切流和输运垒的形成机制等。     

HL-2A装置与HL-2M装置控制处理研究与发展

2006年，围绕HL-2A装置实验控制、数据采集与处理，开展了高性能计算系统建设，基于EFIT代码的HL-2A等离子体位形重建以及若干大型代码的引进移植；实施了水平场电源部分有环流控制；设计制作了新型抗干扰采集器；开展了基于模拟信号脉冲识别的计数研究，在此基础上通过SDD诊断数据计算获得了等离子体电子温度；对HL-2A数据存储系统与实验网进行了全面升级，围绕HL-2M项目，开展了HL-2M位形和极向场线圈设计，HL-2M等离子体控制系统的预研．     

HL-2A装置改造方案磁流体平衡的数值模拟

对HL-2A装置的改造方案进行数值模拟,获得了放电初始阶段零场区域设计的最佳方案、等离子体限制器平衡位形、单零偏滤器平衡位形和双零偏滤器平衡位形以及从气体击穿到等离子体电流平顶的等离子体平衡位形的演化过程。计算结果表明,该装置设计方案能够满足装置预期的设计参数要求。     

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HL-2A装置MHD不稳定性实时预测破裂系统采用了一种简单有效的方法来预测MHD不稳定性导致的等离子体大破裂。利用Mirnov线圈探测MHD信号,根据信号的振幅或频率特点设定计算方法,来预测等离子体破裂先兆,然后用激光吹气注入杂质来缓解等离子体破裂。研究结果表明,该系统能够实时预测破裂先兆,按量注入杂质后,可达到破裂缓解目的。     

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.     

HL-2A装置大拉长比和三角形变等离子体位形设计

介绍了基于MATLAB 程序自主开发的等离子体位形编辑和设计代码SE,包括其设计原理、主要功能、人机界面和操作步骤。通过SWEQU 代码对SE代码的准确性进行了有效验证,分别用上述两种代码设计和验证了两种具有中等拉长比和三角形变位形的放电参数。具有较高拉长比和三角形变位形的实现需要投入装置的上偏滤器线圈来突破圆形截面的限制。最后通过SE代码编辑了一个较大拉长比和三角形变的等离子体位形,并获得了相应的放电参数。结果表明,在HL-2A 装置投入上偏滤器线圈后,可以得到具有较大拉长比和三角形变的新等离子体位形,这些位形为提高HL-2A 等离子体的品质奠定了坚实的基础。     

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根据基尔霍夫电律和牛顿力学,推导出了HL-2A等离子体平衡响应线性模型。基于matlab/simulink仿真平台并利用HL-2A装置历史实验数据,对等离子体响应模型进行了仿真分析。结果表明,此响应模型能够较好地反映极向场线圈电压与等离子体参数、磁通、磁场等物理量之间的关系,可以作 HL-2M装置位形控制器的研究设计基础。     

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采用TORAY代码对HL-2A装置ECRH系统在单零点偏滤器位形下的波与等离子体相互作用的情况进行了模拟计算,研究了等离子体和波参数对ECRH波迹和功率沉积以及电流驱动的影响。根据数值计算结果,HL-2A装置ECRH系统在等离子体线平均密度为3.0×1013cm-3、中心电子温度为1.19keV的情况下,以O模作为入射波垂直入射时的单次吸收系数为99.3%,最大电流驱动效率为0.005×1020A.W-1.m-2。     

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HL-2A和HL-1M装置采用了激光吹气注入高Z杂质来缓减大破裂中的等离子体电流衰竭,并给出了初步实验结果。在HL-2A装置上建立了利用MHD扰动的参量预报放电破裂先兆的报警系统,研制了MHD实时检测与处理系统,实现了放电破裂先兆的预报、快速触发激光吹气、形成阻性高辐射等离子体、消耗热能和磁能,缓减大破裂。实验证明,这是一种使得大型聚变实验装置在放电破裂之前显著减少等离子体中热能和磁能,而且能安全终止放电的简单、快速和有效的途径。     

HL-2A 装置偏滤器改造的初步设计

根据HL- 2A 装置的结构特点, 提出了HL- 2A 装置偏滤器系统改造的基本方向。对HL- 2A 极向场线圈系统进行了优化设计, 计算了单零平衡位形, 进行了开放式偏滤器的结构设计, 并对新的偏滤器系统进行了热分析和结构分析。结果表明, 新的偏滤器系统新的偏滤器系统能够满足具有一定拉长比和三角形变的等离子体放电要求。     

The first results of divertor discharge and supersonic molecular beam injection on the HL-2A tokamak

HL-2A tokamak is the first tokamak with divertors in China. The plasma boundary and the position of the striking point on the target plates of the HL-2A closed divertor were simulated by the current filament code and they were in agreement with the diagnostic results in the divertor. Supersonic molecular beam injection (SMBI) system was first installed and tested on the HL-2A tokamak in 2004. In the present experiment low pressure SMBI fuelling on the HL-2A closed divertor was carried out. The experimental results indicate that the divertor was operated in the `linear regime' and during the period of SMB pulse injection into the HL-2A plasma the power density convected at the target plate surfaces was 0.4 times of that before or after the beam injection. It is a useful fuelling method for decreasing the heat load on the neutralizer plates of the divertor.     

内爆圆柱套筒磁通量压缩的磁流体力学计算

在一维反应流体动力学程序SSS的基础上扩充编制一维磁流体力学计算编码SSS/MHD,并对炸药内爆驱动的圆柱形套筒磁通量聚积发生器(MC-1装置)进行了一维磁流体力学模拟计算。分析了空腔磁场向压缩套筒和样品套筒壁中的磁扩散现象,结果表明,在压缩套筒壁中距离空腔0.2mm处的磁感应强度最大值只有十几T;而在样品套筒壁中距离空腔0.2mm处的磁感应强度最大值达到几百T,这主要是内外套筒运动速度不同,电磁力与内爆作用力平衡引起的。计算了空腔中磁感应强度的变化曲线和样品套筒内壁的速度历程曲线,得到与实验测试符合的结果。     

二维磁驱动数值模拟程序MDSC2的验证与确认

为了对磁驱动实验提供高置信度的数值模拟,需要开展磁流体力学程序的验证与确认。采用人为解比较法、网格收敛性研究和与成熟程序比较等方法,对二维磁驱动数值模拟程序MDSC2进行了程序验证。数值模拟表明:MDSC2程序正确地表示了磁流体力学模型,其中热扩散、磁扩散的离散格式具有二阶收敛精度。采用与磁驱动实验相比较的方法,进行了MDSC2程序的确认。对聚龙一号装置上的PTS-061发次磁驱动单侧飞片发射和PTS-122发次磁驱动双侧飞片发射实验进行了模拟,模拟的飞片自由面速度与实验测量的飞片自由面速度相一致;对FP-1装置上的固体套筒实验进行了模拟,模拟的套筒内外半径与实验测量结果相一致。MDSC2程序能正确模拟磁驱动单侧飞片发射、磁驱动双侧飞片发射和磁驱动固体套筒等磁驱动实验。     

EAST位形磁流体平衡的模拟

对托卡马克平衡反演数值计算代码EFIT进行了改进,使之适用于EAST装置的磁流体平衡研究.用改进后的平衡反演代码EFIT模拟了EAST装置稳态阶段的偏滤器平衡位形.提出极向场线圈电流作为线性方程组主约束条件,期望位形作为从约束条件,求解非对称电流条件下自由边界平衡问题的方法.结果表明,该方法能较为容易地得到非对称电流条件产生的平衡位形,在非对称电流条件下自由边界平衡计算是收敛的.     

HL-2A充气弹丸注入加料的数值模拟研究

为了提高 HL-2A 等离子体中弹丸加料深度和加料效率,研制了新型充气弹丸注入加料方法。忽略 充气弹丸非加料包层的烧蚀过程,在 HL-2A 托卡马克位形下,应用 Trans-neut 程序对沉积在径向归一化磁通ψ=0.9 位置处的充气弹丸输运特性及其与本底等离子体自洽的相互作用过程进行了二维数值模拟研究,给出了加料粒子 和本底等离子体剖面的时空演化。发现氘离子在弹丸加料位置的径向内侧沉积、峰化,在径向扩散作用下,芯部 密度不断增加。在加料期间,加料点的离子温度和电子温度降低的区域不断扩展,电子温度剖面在极向上的演化 过程要快于离子温度剖面的演化过程。弹丸沉积位置的归一化分子数密度和径向分布宽度先减小后增加,与加料 处的分子分解源项(即分子密度损失率)先增加而后减小呈负相关。     

HL-1M装置上MHD不稳定性磁扰动模的传播

对在HL-1M装置放电实验中发现的宏观MHD不稳定性磁扰动模的传播现象进行了研究。通过对实验中发现的各种极向模数m值的MHD磁扰动模特征的观察，以及在不同放电条件，特别是在偏压H模放电下传播方向不同的分析，深入研究了MHD模传播与等离子体旋转的定性关系。     

Strong "quantum" chaos in the global ballooning mode spectrum of three-dimensional plasmas

The spectrum of ideal magnetohydrodynamic (MHD) pressure-driven (ballooning) modes in strongly nonaxisymmetric toroidal systems is difficult to analyze numerically owing to the singular nature of ideal MHD caused by lack of an inherent scale length. In this paper, ideal MHD is regularized by using a k-space cutoff, making the ray tracing for the WKB ballooning formalism a chaotic Hamiltonian billiard problem. The minimum width of the toroidal Fourier spectrum needed for resolving toroidally localized ballooning modes with a global eigenvalue code is estimated from the Weyl formula. This phase-space-volume estimation method is applied to two stellarator cases.     

空间傅里叶分析法识别MHD扰动模式

讨论了用空间傅里叶分析法确定托卡马克等离子体MHD磁扰动模式的方法。根据托卡马克实验的状况,对不同情况下的MHD磁扰动进行了详细的数值模拟,重点分析了该方法的系统误差,模拟结果与HL-1M装置上的实验结果进行了对比。比较结果表明,用空间傅里叶分析法识别托卡马克中的MHD扰动模式是一种可以行之有效的方法。     

HL-2A边缘等离子体中捕获电子模的线性数值模拟

利用GTC程序和HL-2A装置的实验数据,对托卡马克边缘等离子体中的漂移波微观不稳定性进行了线性数值模拟。模拟结果表明,在HL-2A边缘等离子体中捕获电子模(TEM)是不稳定的,它均匀且规则地分布在托卡马克的弱磁场区域,而且其增长率随着等离子体的温度梯度和密度梯度的增加而增加。另外,模拟结果还表明,TEM的实频率远远小于离子的漂移频率,这一点与理论研究结果是一致的。