等離子體破裂期間電流猝滅特征研究

竹錦霞,涂 樸,李 強

(四川文理學院 智能制造學院,達州635000)

1 引 言

等離子體大破裂是托卡馬克裝置放電運行時不可避免的一個常見現象.等離子體破裂放電導致放電突然中止，由于產生高通量逃逸電子以及熱通量的釋放嚴重危害裝置的安全.破裂會對裝置造成電磁力負載、局部熱負載和高能逃逸電子等危害，是影響托卡馬克裝置實現商業發電的難題之一.尤其是對大型聚變裝置如(ITER)，破裂問題對等離子體第一壁、包層以及真空室的設計都是最嚴重的問題[1].真空室和室內元件所承受的巨大機械負載主要是由電磁感應的渦流和垂直位置失控引起的暈電流與磁場相互作用產生的.渦流和暈電流都與破裂期間電流猝滅速率相關的，它們的幅值對托卡馬克裝置的負載設計有很大的影響，并且理論預言等離子電流與逃逸電流轉化也和電流猝滅速率相關的.盡量避免暈電流和渦流的產生，降低其作用于真空室和真空室內部部件上的電磁力是防止破裂的主要目標之一.

電流猝滅速率與電磁負載大小以及逃逸電子束的形成都有密切關系，電流猝滅率在一定程度上決定了裝置的壽命.為了保護裝置的安全運行，國內外裝置上都進行了等離子體破裂期間電流猝滅特性的研究[2-5].本文在已研究80%-20%區間下等離子體電流猝滅的特征的基礎上[6]，利用90%-10%的區間統計分析了破裂期間電流猝滅特征，并對兩種不同區間下的猝滅特性進行對比.研究等離子體破裂期間電流猝滅特征，為探索降低等離子體破裂危害提供基礎數據.

2 電流猝滅分析方法及實驗結果

等離子體破裂通常分為如下幾類：低密度鎖模破裂、密度極限破裂、垂直不穩定性破裂、β極限破裂、q=2極限破裂.圖1 為HL-2A上典型的密度極限破裂.圖(a)到(c)分別是等離子體電流，等離子體表面環電壓和等離子體線平均密度三個參數隨著時間的演化過程.當放電進行到1000 ms時，等離子體密度不斷增加，直到1200 ms時等離子體發生熱猝滅，等離子體電流迅速下降引起電感應而導致環電壓瞬間升高.等離子體電流出現的正脈沖以及環電壓的負脈沖信號是等離子體破裂的特點.

圖2為HL-2A上統計出的常見的四種不同類型的電流猝滅波形圖.(A)線性擬合波形，(B)指數擬合波形，(c)前慢后快型波形，(D)逃逸平臺型波形.以10 ms為界限，大于10 ms為慢猝滅，反之亦然.其中(A)、(B)是快電流猝滅波形，而(C)、(D)是慢電流猝滅波形.(D)中由于感應出的高環向電場加速逃逸電子而形成了約100ms的逃逸電流平臺.若無法控制的逃逸電流直接撞擊到裝置器壁上將會導致嚴重后果.

圖1 等離子體破裂放電波形(a)等離子體電流,(b)等離子體表面環電壓,(c)等離子體線平均密度Fig.1 Waveforms of plasma disruption discharge (a)The plasma current,(b)the loop voltage,(c)the central line-averaged density

圖2 不同類型電流猝滅的波形圖.Fig.2 Different type waveforms of plasma disruption discharges

平均電流猝滅速率和最大瞬時電流猝滅速率是研究托卡馬克裝置上電流猝滅性質的基本參量.等離子體電流衰減為破裂前等離子體電流的100%、90%、80%、40%、20%和10%和時間分別記為t100、t90、t80、t40、t20和t10.電流猝滅速率不僅與電磁負載的大小有關，而且還與逃逸電子束的形成有關.盡管很多裝置上都建立了電流猝滅時間的數據庫，但不同的托卡馬克裝置上選擇的研究區間并不相同.DIII-D,J-TEXT電流猝滅時間選擇的區間是90%-10%[7,8]，JT-60U[9]和HL-2A[6]電流猝滅時間選擇的區間為80%-20%，JET卻為100%-40%[10].在前期HL-2A已經選用了80%-20%區間進行等離子體電流猝滅的特征分析，得到了在快電流猝滅階段，線性擬合及指數擬合都與實驗數據相符等研究結果[6].為了能全方位分析統計數據，本文則選擇90%-10%的等離子體電流衰減區間研究，并與前期研究進行對比.電流猝滅時間、平均線性電流猝滅率分別定義為：

(1)

(2)

其中，IPD是猝滅前等離子體電流值.

等離子體破裂過程復雜，并且破裂過程很快.本文挑選了HL-2A裝置放電數據庫中250炮自然破裂的數據分析了等離子體電流猝滅特征.圖3為兩種不同研究區間下電流猝滅時間與邊界安全因子的關系圖.從統計分析結果可以看出，τ80-20和τ90-10的最小值分別為2.2 ms和2.6 ms.圖4 為不同研究區間下，平均線性電流猝滅率與安全因子的關系.從統計圖得出QR(80-20)主要集中在50(KA/ms)內，而QR(90-10)的區間值可達到140(KA/ms).

圖3 80%-20%和90%-10%區間下，平均電流猝滅時間與安全因子的關系Fig.3 Plot of the average current quench time versus safety factor q95 at the range of 80%-20% and 90%-10%.

圖4 80%-20%和90%-10%區間下，電流猝滅率與安全因子的關系Fig.4 Plot of the average current quench rate versus safety factor q95 at the range of 80%-20% and 90%-10%.

圖5 80%-20%和90%-10%區間平均電流猝滅時間統計分布Fig.5 Statistical distributions of averaged current quench time:(A)τ90-10and (B) τ80-20

標準差在概率統計中常作為統計分布程度上的測量，它反映了組內個體間的離散程度.τ90-10的統計分布如圖5(A)，標準偏差為10.39，平均值為17.67.τ80-20的統計分布如圖5(B)標準偏差為9.66，平均值為8.86.不同區間下平均電流猝滅時間統計分布明顯不同.

3 結 論

托卡馬克放電過程中的破裂行為會對裝置的安全性造成嚴重威脅.等離子體破裂期間電流猝滅特征在一定程度上決定了裝置的壽命.本文利用90%-10%的區間統計分析了破裂期間電流猝滅特征，總結出了HL-2A上等離子體破裂期間四種不同的電流猝滅波形，統計了電流猝滅時間以及電流猝滅率，并與前期80%-20%區間上的實驗結果進行了對比.為該裝置上的破裂數據庫提供基礎數據.