磁岛演化程序与束追踪程序耦合自洽模拟电子回旋电流驱动控制撕裂模研究

With the increase of fusion power for a future reactor, large resistive tearing modes can often lead to disruptions which will endanger tokamak devices. Due to its localized deposition, ECCD is very appropriate to control tearing modes and hence to avoid disruptions. However, the occurrence of a large tearing mode can flatten the electron temperature and density profiles inside the island and degrade the core plasma confinement, which can impact the deposition profile of ECCD and greatly lower the driven current efficiency. This will increase the electron cyclotron waves power, hence degrading fusion power gain factor Q and increasing the device operation costs. This project proposes to couple magnetic island evolution codes with a ray-tracing code to investigate the stabilization of tearing modes by ECCD, which consistently includes the effect of the change of ECCD deposition profile due to the flattening of electron temperature and density when a magnetic island exists. Magnetic island evolution codes contain codes based on both the modified Rutherford equation and reduced magnetohydrodynamic equations. Furthermore, the integrated modeling results will be compared with experiments in EAST. The results of this project will provide valuable references on the control of tearing modes in ITER.

随着未来托卡马克聚变堆功率的提升，破裂的发生会严重危害装置的安全运行，而大尺度电阻撕裂模的出现常常会导致破裂。ECCD由于其具有较为局域的沉积分布，在控制撕裂模从而避免破裂方面得到了广泛应用。然而，大尺度撕裂模的出现会展平磁岛内电子温度和密度分布并降低等离子体芯部约束，从而影响ECCD的沉积分布并会大大降低驱动电流效率，这将增加模稳定所需的电子回旋波功率，从而降低聚变功率增益因子Q以及增加装置运行成本。本项目将围绕上述关键问题，通过耦合磁岛演化程序（包括基于修正Rutherford方程的模拟程序和基于约化磁流体方程组数值模拟程序）与束追踪程序，考虑由于磁岛存在而导致的电子温度和密度分布变化引起的ECCD沉积分布的改变，从而自洽模拟ECCD对控制磁岛的影响。另外，依托EAST托卡马克实验平台，进行集成模拟结果与实验的比较。本项目的开展将为ITER上撕裂模的控制提供重要的科学依据。

随着未来托卡马克聚变堆功率的提升，破裂的发生会严重危害装置的安全运行，而大尺度撕裂模的出现常常会导致破裂。电子回旋电流驱动由于其具有较为局域的沉积分布，在控制撕裂模及新经典撕裂模从而避免破裂方面得到了广泛应用。本项目通过对磁岛演化程序与束追踪程序耦合开发，研究了波沉积展宽、快电子输运等参数对电子回旋电流驱动控制磁岛的影响。.1.波束展宽和径向偏差对NTM稳定的影响.等离子体湍流尤其是边界密度扰动将导致波沉积展宽，从而大大降低了ECCD控制磁岛的稳定效率，这将增加模稳定所需的电子回旋波功率，从而降低聚变功率增益因子Q以及增加装置运行成本。我们研究了径向沉积宽度和径向偏差对射频波电流驱动稳定新经典撕裂模的影响。发现当ECCD在磁岛较小时加入，模稳定所需驱动电流受到径向偏差和波沉积宽度的极大影响，表明了在ITER上，即使是早期加入ECCD，ECCD准确的对齐到有理面径向位置仍然是需要的。另外发现调制驱动电流的最佳占空比在 40%-70% 范围内。.2.快电子输运对ECCD控制NTM的影响.由ECW产生的快电子的慢化时间要比热电子长很多。在它们慢化下来之前，等离子体湍流会导致快电子在垂直于磁场方向输运，从而展宽快电子密度分布/驱动电流密度分布。我们利用数值模拟开展了快电子垂直输运等对ECCD稳定m/n=2/1 NTM影响的相关研究。发现当快电子垂直输运较小时，数值模拟结果与修正Rutherford方程得到的结果具有相同的趋势。而当快电子的垂直扩散达到由于等离子体湍流而导致的反常输运水平时，会极大地降低MCD抑制NTM的致稳效率。另外我们发现模稳定所需的调制驱动电流正比于快电子垂直扩散率的平方根。当驱动电流相对于共振面的径向偏差接近等离子体小半径的百分之四时，这个径向沉积偏差会极大地影响模的稳定性。