CFETR装置上等离子体对固有误差场响应的数值研究

The error field (EF) inevitably exists in the design and construction of magnetic coil of tokamak device. Especially for the large CFETR device, it just can bear litter EF. The mode locking and disruption easily occur. Although assessing the intrinsic EF and simulating plasma response to the EF are very significant for the device construction and high parameters steady state operation. For the CFETR, the research of intrinsic vacuum EF and plasma response to EF still has not been studied quantitatively by the simulation. This project will focus on the EF in the CFETR, developing the EF module within the MARS code, assessing the intrinsic vacuum EF, simulating the plasma response to the EF, assessing the most dangerous EF source and exploring the physical mechanism of the plasma response to the EF correction. The EF research is carried out to avoid plasma disruption, to prolong the life of the device, to ensure the long-term operation of the discharge, and to maximize the economic benefits of the device. This project is critical for the operation of the discharge of CFETR device in the future.

托卡马克装置中磁体线圈在设计和建造过程中会产生不可避免的偏差，导致误差场的产生。特别是CFETR这类大装置对误差场的承受能力很小，锁模类破裂现象很容易发生。尽管评估固有误差场和等离子体对误差场响应的研究，对于CFETR装置的建设和高参数放电区间的稳态运行具有重要意义，但是目前还没有从数值模拟方面定量地评估CFETR装置中真空固有误差场的大小，也没有开展等离子体对固有误差场响应的数值研究。本项目针对CFETR中误差场这一关键物理问题，开发MARS程序中误差场模块，数值评估装置中真空固有误差场的大小，研究等离子体对固有误差场的响应问题，评估最危险的误差场源，探究等离子体响应对误差场校正作用的物理机理。开展误差场研究可以避免等离子体大破裂，延长装置寿命，保证放电长时间运行，使装置经济效益最大化。该项目的实施对未来CFETR装置的运行放电具有非常重要的意义。

托卡马克装置中磁体线圈在设计和建造过程中会产生不可避免的偏差，导致误差场的产生。通过仔细的设计、建造和安装，可以最大限度减小误差场，但并不能完全消除误差场。研究表明比背景磁场小3-4个量级的误差场，也可能对二维轴对称等离子体造成重大影响。误差场可以通过非共振放大影响不同的磁流体不稳定性，如撕裂模、电阻壁模、边缘局域模等。并且低 n 误差场可以引起锁模，甚至造成等离子体大破裂。本项目针对误差场这一问题开展研究。升级了MARS程序，数值模拟与实验装置相结合，探究了误差场的锁模阈值、等离子体对误差场响应的物理机制。研究证实了误差场所引发的锁模阈值与等离子体旋转和误差场的爬升时间有关。研究了不同的平衡参数下（拉长比、三角形变、压强剖面、等离子体旋转、电阻、q95、热粒子和高能粒子等），等离子体对误差场的响应情况。确定了在等离子体响应情况下，误差场、扰动位移等在等离子体中的分布情况。开展误差场研究可以避免等离子体大破裂，延长装置寿命，保证放电长时间运行，使装置经济效益最大化。该项目的实施对未来CFETR装置的运行放电具有非常重要的意义。. 上述工作为未来ITER和CFETR等托卡马克装置的建造优化目前的设计方案，为装置的有效运行提供更好的理论依据。也为误差场研究和边缘局域模的控制提供理论支持，降低了锁模的发生几率，防止了大破裂的发生。为进一步理解等离子体响应对误差场校正作用的物理机理提供帮助，并为HL-2A、HL-2M和EAST装置中误差场研究提供理论支持。