HL-2M上主动控制与等离子体旋转对电阻壁模的协同作用

The resistive wall mode (RWM) is one of the most dangerous macroscopic instabilities in advanced tokamaks, which aim at high pressure, large bootstrap current fraction and long pulse operation. If not being probably stabilized, the RWM eventually leads to the major disruption of the plasma discharge. Thus, understanding and controlling this magnetohydrodynamic instability is very important for HL-2M tokamak currently under construction at SWIP. The future research work shall be carried out by the approach computation coupling with engineering design, and the modelling tool is based on a state-of-the-art code called MARS-Q. Firstly, it is to develop the poloidal flow module within the MARS-Q code and then apply it to investigate effects of the plasma rotation on the RWM. Secondly, the RWM active control for the HL-2M tokamak by RMP coils will be studied to optimize the coils position and the poloidal width. Last, active control of the RWM, combined with passive stabilization including the poloidal rotation of the plasma, is first studied here for the HL-2M tokamak. The results of this project are critical to stabilize the RWM, improve the HL-2M confinement and the lifetime of the discharge.

在先进托卡马克（高比压、大自举电流、长脉冲）中，电阻壁模是一种非常危险的宏观不稳定性，抑制电阻壁模至关重要，否则它最终将会导致等离子体放电的大破裂。因此，理解抑制电阻壁模的物理机制以及如何主动控制电阻壁模对于正在升级改造的HL-2M托卡马克来说非常重要。本项目拟通过采用当前聚变界最先进的代码之一MARS-Q程序结合HL-2M装置的工程设计展开数值模拟研究。首先对MARS-Q代码进行升级完善，率先考虑等离子体极向旋转物理效应，并开发新的等离子体极向旋转模块，研究等离子体旋转对电阻壁模的作用。然后研究HL-2M装置中RMP线圈对电阻壁模的主动控制，优化RMP线圈的位置和极向宽度。最后结合HL-2M装置，首次研究主动控制与等离子体旋转对电阻壁模的协同作用。本项目研究成果将对稳定电阻壁模，改善HL-2M装置的约束，提高其放电时间等至关重要。

应用 MARS-F/K 代码对HL-2M 托卡马克中电阻壁模进行了系统的研究，其中包括环向等离子体流，进动漂移动理学以及反馈控制。研究发现：当环向等离子体的速度不是很快时，磁轴处旋转频率Omega_0小于等于0.006 阿尔芬频率，由捕获热粒子提供的进动漂移共振阻尼能把HL-2M 中2 MA双零点高参数运行方案的电阻壁模稳定住（环向模数 n=1）。HL-2M装置设计中有2套 RMP 线圈，可用于抑制边缘局域模或电阻壁模，我们发现线圈在极向上的位置theta_c 在20°于22°之间，效果最佳。同时我们还考虑了动理学效应与反馈控制对电阻壁模的协同作用，调整上下反馈线圈之间相位角或使用D型控制器能增强稳定作用。我们应用一种简单的解析模型重复了以上的数值结果。.根据项目计划书的安排，我们还对MARS-F程序进行了升级，同时包含了环向流与极向流。它们之间最大的区别在于背景等离子体环向流是轴对称的，不随极向改变，而附加平行流的极向分量（极向流）或环向分量既随径向改变，同时也随极向变化。研究发现平行流对电阻壁模的影响很小，这是因为极限流的致稳作用与环向分量的解稳效果相互抵消。环向分量的解稳主要是由于二维等离子体流傅里叶模式耦合导致的，特别是 m=1模式。相比均匀平行流，流剪切对电阻壁模的致稳/解稳起弱化作用。