托卡马克等离子体电流猝灭特征行为分析

涂 朴， 张轶泼， 竹锦霞, 3

(1. 四川文理学院 智能制造学院, 达州 635000; 2. 核工业西南物理研究院, 成都 610041; 3. 四川文理学院 智能制造产业技术研究院, 达州 635000)

1 引 言

对于目前和未来的聚变实验装置来说, 如何保证装置的安全运行是首要的关键问题[1]. 等离子体破裂是托卡马克装置不可避免的现象, 其对装置的危害主要由晕电流、热沉积及逃逸电子等三个方面造成[2-5]. 等离子体破裂期间, 等离子体电流的迅速衰减会在托卡马克装置真空室第一壁产生巨量感应电流, 并导致强大电磁力. 真空室作为托卡马克装置的关键部件之一, 为等离子体提供一个高真空运行环境, 它必须能够满足装置在各种危险工况下结构的强度、刚度和稳定性要求.

电磁负载大小值与破裂期间电流猝灭率有密切的关系, 电流猝灭率在一定程度决定了装置的寿命, 为探索等离子体破裂时真空室承载的电磁力变化的基本规律, 进一步深化等离子体破裂对真空室造成影响的认知、为未来托卡马克真空室结构的安全性设计提供可靠的理论依据. 破裂期间电流猝灭特征的研究是实现托卡马克安全运行的基础, 也是未来聚变商用堆能安全运行的前提. 在国外JET、NSTU、JT-60等以及国内EAST、J-TEXT上都对等离子体破裂期间电流猝灭特性进行了相关研究[6-11]. 但是由于装置的不同, 以及选取研究区间的不同, 得到不同的研究结果. 为更全面探索降低等离子体破裂危害提供数据, 本文在80%-20%及90%-10%区间对等离子体电流猝灭特征已研究的基础上[12, 13], 利用100%-40%的区间对HL-2A装置上破裂期间的电流猝灭特征进行了分析, 为评估与以往方法的差异提供基础.

2 100%-40%区间上电流猝灭分析方法

在研究等离子体电流猝灭特征过程中, 平均电流猝灭速率、最大瞬时电流猝灭速率都是研究托卡马克装置上电流猝灭特征的两个主要参量. 前期工作已经在HL-2A已经选用了80%-20%区间统计分析了电流从猝灭特征[12], 接着并利用90%-10%区间作了对比分析[13]. ITER数据库收集了电流猝灭的广泛数据[14, 15], JET往往选用100%-40%这一区域[6]. 等离子体电流衰减为破裂前等离子体电流的100%和40%时间分别记为t100、t40.

平均电流猝灭时间、平均线性电流猝灭率分别定义为:

(1)

(2)

其中IPD是等离子电流猝灭前的值.

瞬时最大电流猝灭速率为:

(3)

与瞬时最大电流猝灭速率对应的最小猝灭时间为:

τmin=IPD/(-dIP/dt)max

(4)

3 实验结果

等离子体破裂期间, 能量猝灭的极短时间内(大约1ms), 释放的能量会腐蚀装置第一壁材料, 极大的减小装置的寿命. 电流猝灭阶段, 等离子电流的骤然下降会对装置的真空室以及内壁产生极高的电磁力[16-18]. 本文挑选HL-2A上典型的破裂数据进行分析(自然破裂). 从图1中等离子体电流波形可以看出图中(a),(b)都是电流猝灭波形图, 电流信号出现的正脉冲正是等离子体破裂的特征[19]. 根据猝灭时间长短(大约为10 ms),(a)是快电流猝灭,(b)是带有快猝灭尾部的慢电流猝灭波形, 两者都是HL-2A上典型的电流猝灭波形图.

图1 等离子体电流猝灭典型波形:(a)快猝灭,(b)慢猝灭Fig.1 Typical waveforms of plasma disruption discharges:(a)The fast current quench discharge, (b) The slow current quench discharge

等离子体电流猝灭特征时间可为托卡马克装置的安全运行提供参考值. 研究表明, 平均电流猝灭速率与真空室和偏滤器腔室等大部件的设计相关. 目前大多数托卡马克装置都建立了电流猝灭时间数据库，并在数据分析时把电流猝灭时间归一化到等离子体横截面积上.图2是100%-40%区间下平均电流猝灭时间与安全因子q95的关系, 即电流猝灭特征统计得结果. 根据数据统计结果显示, 100%-40%区间下平均电流猝灭时间的最小值为0.7 ms. HL-2A托卡马克的等离子体极向截面积约为0.5 m2, 对应的最小面积归一化电流猝灭约为1.4 ms m-2. 本轮统计中平均电流猝灭时间主要集中在1.5 ms-8 ms区间范围内.

图2 平均电流猝灭时间与q95关系图(100%-40%区间)Fig. 2 Plot of the average current quench time versus safety factor q95 (at the range of 100%-40%)

图3 平均线性电流猝灭率与瞬时最大电流猝灭率的关系Fig. 3 Plot of maximum instantaneous IP quench rate versus QR(100-40)

对等离子体破裂而言, 电流猝灭率是很重要的参数之一. 装置上小的室内元件的负载设计由最大瞬时电流猝灭速率决定. 图3 为平均线性电流猝灭率与瞬时最大电流猝灭率的关系. 图中红色直线为散点数据的分界线. 与80%-20%的区间下所有散点数据都在分界线上方不同[12], 从图3中可以看出100%-40%区间下大多数数据中瞬时最大电流猝灭率与平均电流猝灭率的比值都是大于1的, 只有少数部分数据处于分界线下.

统计分布可以反映总体中所有单位在各组间的分布状态和分布特点. 此组典型破裂数据中平均电流猝灭时间的统计分布如图4所示. 为了得到高的样本数目, 本统计分布图以5 ms为区间间隔. 平均值及标准偏差分别为8.18 ms, 8.978. 平均电流猝灭时间集中于前两个间隔内, 结论与图2展示稳合.

图4 平均电流猝灭时间统计分布(100%-40%区间)Fig. 4 Statistical distributions of averaged current quench time.

图5 平均电流猝灭率统计分布(100%-40%区间)Fig. 5 Statistical distributions of averaged current quench rate.

利用公式(2)计算并统计得到了HL-2A 上100%-40%区间下平均电流猝灭率的统计分布结果, 如图5所示. 10 s-1为本组的统计间隔, 电流猝灭率的平均值及标准偏差分别为43.71 s-1, 34.85. 平均电流猝灭率主要集中在20-40 s-1间.

4 总 结

等离子体破裂期间会产生强电磁力, 这种电磁力能够对偏滤器室及真空室内的部件造成损害. 电流猝灭过程中的猝灭率等参数都与装置中部件的设计相关. 本文在已经利用90%-10%以及80-20%区间分析方法基础, 在100%-40%的区间上对HL-2A装置破裂期间的电流猝灭特征进行分析. 得到最小面积归一化电流猝灭约为1.4ms m-2, 瞬时最大电流猝灭率与平均电流猝灭率的比值并不都是大于1. 这不仅为该装置上的破裂数据库提供丰富数据, 并为评估本装置以及其他国内外装置上电流猝灭特性研究的差异提供基础数据.