CFETR螺旋波电流驱动数值模拟及螺旋波天线和等离子体耦合机制研究

This project is aimed at "CFETR achieve a stable and effective mid-radius current drive", using helicon wave current drive with traveling wave antenna as the helicon wave excitation device and carry out the antenna and plasma coupling performance analysis and parameter optimization. Finally puts forward a set of CFETR HCD operation parameters under the scheme and design parameters and reveals the propagation and absorption mechanism of helicon waves in the plasma and the helicon wave antenna and plasma coupling mechanism. Based on this, the propagation and absorption mechanism of RF wave in plasma and the coupling mechanism of RF wave antenna are studied. By means of GENRAY ray tracing program and CQL3D program, the propagation path of helicon wave under the design parameters of CFETR and the response of plasma distribution function are simulated and calculated. The parameters of wave and plasma are optimized to improve the HCD efficiency and reveal the propagation and absorption mechanism of helicon wave in plasma. HFSS/CST software was used to optimize the electromagnetic performance of helicon wave antenna. COMSOL simulated and calculated the near-field field diagram of the antenna under the plasma environment, and optimized the wave parameters and antenna structure parameters to improve the antenna coupling performance and reveal the antenna and plasma coupling mechanism.

本项目拟针对 “在CFETR上实现稳定且高效的mid-radius电流驱动”这一关键问题，采用螺旋波进行电流驱动，以行波天线作为螺旋波的激发装置，并开展天线和等离子体耦合性能分析和参数优化，最终提出一套CFETR设计参数下HCD运行参数方案并揭示螺旋波在等离子体中的传播与吸收机制和螺旋波天线和等离子体耦合机制。基于此，开展射频波在等离子体中的传播与吸收机制研究和射频波天线耦合机制研究；通过GENRAY射线追踪程序和CQL3D程序模拟计算螺旋波在CFETR装置设计参数下的传播轨迹和等离子体分布函数响应等结果，优化波和等离子体参数设置提高HCD效率并揭示螺旋波在等离子体中的传播和吸收机制；通过电磁分析软件HFSS/CST对螺旋波天线进行电磁性能优化分析。在COMSOL中模拟计算等离子体环境下天线的近场场图，优化波参数和天线结构参数来提高天线耦合性能并揭示天线和等离子体耦合机制。

本项目针对 “在CFETR上实现稳定且高效的mid-radius电流驱动”这一关键问题，提出采用螺旋波进行电流驱动，以行波天线作为螺旋波的激发装置，并开展天线和等离子体耦合性能分析和参数优化，且解释相关物理机制。.工作成果：①频率在1GHz以下的螺旋波无法实现离轴电流驱动。频率在1.6GHz至2.0GHz范围内，电流驱动剖面峰值位置集中在归一化小半径约0.75位置附近，峰值大小随波频率的增加而微弱增加且驱动效率稳定。②从极向角度为45度和180度附近的位置发射的射线具有较强的功率吸收。峰值在1A/cm^2/MW以上，峰值位置小于归一化小半径0.75的位置电流驱动径向剖面可以在平行折射率为2~2.8，极向角度为35度至60度范围内获得。在以上参数范围内，平行折射率对驱动电流的峰值位置影响很小。极向发射角在45度左右时，电流驱动效率可达50kA/MW以上。③电子温度小于1.0×25.4keV，电子密度在0.7×7.8×10^19m^-3到0.8×7.8×10^19m^-3范围内，可获得电流驱动效率大于70 kA/MW且电流驱动剖面的峰值位置小于归一化小半径的0.7位置的电流驱动结果。此外，电流驱动效率随电子温度增加而增加。.以上结果为CFETR实现稳定、高效的中半径电流驱动提供了重要的理论指导和数据支持。.此外，在CFETR的工程设计参数下，提出一种多阵列行波天线用于螺旋波电流驱动的方案。该天线结构简单，几何尺寸小，无需额外的匹配系统等优点。利用三维电磁仿真软件CST建立了三维天线物理模型，并且对三维天线模型进行了结构及尺寸优化。优化天线结构尺寸（包括天线电流条带的长度、宽度、条带之间的间隔以及条带数）。通过分析，获得天线优化的结构尺寸，极向长130mm、环向宽450mm、天线径向深度200mm。电流带长度80mm，电流带宽度10mm，相邻两电流带中心间距20mm，共16个电流带单元阵列。在该优化结构尺寸下，在50MHz带宽内，天线电压驻波比小于1.2，且天线阵列激发的k谱具有很好的定域性，这有利于提高天线的电流驱动效率。此外，对天线的表面电流分布以及电磁场分布进行了计算与评估，计算结果满足工程设计要求。