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《磁螺度helicity注入电流驱动实验的平衡反演》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、计 算 物 理第17卷第4期Vol.17,No.42000年7月CHINESEJOURNALOFCOMPUTATIONALPHYSICSJul.,2000[文章编号]10012246X(2000)0420347208磁螺度(helicity)注入电流驱动实验的平衡反演张 澄(中国科学院等离子体物理研究所,安徽合肥 230031)[摘 要]磁螺度注入是一种国际上正处于探索性研究阶段的极富吸引力的电流驱动方案,尤其对于球环堆芯更具有至关重要的意义。对磁螺度注入电流驱动实验进行平衡反演工作,将实验数据进行理论分析研究,拟
2、合所有的测量数据以确立实际的等离子体位形,平衡的磁拓扑结构以及环向电流的空间分布,从而确定闭合磁面区的驱动电流大小以及等离子体的性质。计算结果表明等离子体具有托卡马克型q分布,环向电流分布呈中空形,磁面结构为有三角形变的拉长位形,等离子体的弛豫态为偏离泰勒状态的非完全弛豫态,同时在闭合区有可观的环向电流被驱动。[关键词]磁螺度注入;电流驱动;平衡反演[中图分类号]O53[文献标识码]A0 引言磁约束核聚变等离子体是一个复杂的非线性体系,具有丰富的物理现象及复杂的位形。计算物理作为现代物理学研究的重要组成部分,正在被广泛地
3、应用于等离子体研究的各个领域,诸如等离子体平衡、稳定性、输运、加热、电流驱动、边界物理、杂质的输运与演变等理论研究;实验研究中多种诊断数据的反演;对实验中多种复杂过程的数值模拟;理论对未来实验的预言和与实验的比较以及装置的物理设计和工程设计等。各种类型与功能的大型计算程序应运而生,世界各大等离子体物理实验室都建立了大型的软件库,计算物理在核聚变研究领域里发挥着重要的作用。本文所介绍的工作是应用理论模型和对实验数据的拟合,进行有关磁螺度注入电流驱动的研究。众所周知,实现稳态运行是磁约束核聚变研究中的重要课题,为此多种电流驱
4、动手段都在[1]研究之中。磁螺度注入电流驱动是一种富有吸引力的电流驱动方案,它的特点是直接以直流电压来维持一个持续的磁螺度注入,而等离子体弛豫过程将使J/B比值趋向于空间均匀化,因而在等离子体内部区域得以产生并维持一个环向的驱动电流。由于其驱动效率远高于目前常规使用的方法,且不受等离子体密度的限制,对高密度的反应堆极为有利,尤其对于球环堆芯更具有至关重要的意义。加之造价很低,如可行,将使反应堆电流驱动装备的造价由一个重要地位变为无足轻重。[2,3]美国华盛顿大学的同轴磁螺度注入托卡马克(HIT)在这项探索性研究中取得了世
5、界[收稿日期]1997212209;[修订日期]1999207215[作者简介]张澄(1944～),女,北京,研究员,博导,从事等离子体物理与计算机模拟方面的研究,安徽合肥1126信箱.©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.348计 算 物 理第17卷上最领先的成果。应用一个700V的直流电压,在纵场015T的低纵横比托卡马克上实现了200kA的环向电流驱动。然而要确定是否成功的实现了电流驱动,必须对实验数据进行理论分析研究,拟
6、合所有的测量数据以确立实际的等离子体位形,平衡的磁拓扑结构以及环向电流的空间分布,从而确定闭合磁面区的驱动电流大小以及等离子体的性质。为此,我们在EFIT[4][5]code的基础上,进行磁螺度注入电流驱动实验的平衡反演工作。需要指出的是,同轴磁螺度注入托卡马克不同于普通托卡马克,它没有欧姆场,利用Bias线圈产生初始角向磁通,放电过程中存在较大的开端磁场区,特别是X点一般位于主区与注入器区之间的连接处附近,而这两个区域的等离子体性质完全不同。本项研究工作的特色是考虑开端区和以X点为分界的两个不同的闭合区的三区统一求解。
7、研究结果得到了符合实验测量数据的等离子体电流密度与磁面的分布,以及对磁面性质的全面分析。1 等离子体平衡的计算模型图1表示所研究的HIT装置,等离子体几何位形为轴对称环形,其平衡研究的出发点是柱坐标R2Z下的等离子体平衡方程,即Grad2Shafranov方程ΔÞψ=-μ0RJt(R,ψ)(1)dpμ0dFJt=R+2F(2)dψ4πRdψ其中,Δ32ΔψΔψ≡R2R2919ψ9ψ=R+2(3)9RR9R9Zψ表示角向磁通函数,Jt表示环向电流密度,F表示角向电流,p表示等离子体压图1HIT托卡马克装置(俯视图)强。在计
8、算方法上,我们运用格林函数和Fig.1Theschematiclayout(topview)Picard迭代方法来求解平衡方程,ofHITtokamaknem+1(m)ψ(r)=∑G(r,rej)Iej+∫dR′dz′G(r,r′)Jt(R′,ψ)(4)Ωmj=1这里Iej是rej处外线圈的电流,G(r,r′ej)和
