HL-2M托卡马克等离子体启动和爬升阶段的数值模拟研究

Plasma breakdown is the key point for tokamak discharge, it requires a strong enough toroidal electrical field and a good field-null area. In order to obtain a field-null configuration, the stray field induced by the eddy current (as high as 100 kA) in vacuum vessel should be carefully compensated. The new tokamak HL-2M with double layers vacuum vessel, which is made of stainless steel by welding must need to find an precise module to represent the vacuum vessel and the induced current, because the resistance of the vacuum vessel in the toroidal direction is about 140 μH, and HL-2M will be the only tokamak around the world to breakdown the plasma without any auxiliary heating assistant under such a lower resistance of vacuum vessel. A stable and reliable mode should be explored to evolve the plasma to achieve various regular and advanced divertor configurations for HL-2M when the plasma current is ramped from small (20-80 kA) value. This project plans to design and optimize the self-consistent plasma breakdown and ramp-up scenarios for HL-2M by solving the constrained PDEs equations with the Sequential Quadratic Programming (SQP) method, the scenarios include high and low coils voltages breakdown and various ways to achieve the advanced divertor configuration. At last the parameters at the ramp-up phase will be estimated by scaling law from other tokamaks such as DIIID and JET.

等离子体的击穿对开展托卡马克装置放电实验起着至关重要的作用，它需要在维持高环向电场的同时满足零极向磁场，同时还需要补偿真空室数百kA涡流产生的极向磁场。对于像HL-2M这样采用双层不锈钢板全焊接真空室的装置，环向电阻只有140微欧，是目前国际上不采用辅助启动而环向电阻最小的装置，需要探索更加精确的模型来描述真空室上产生的感应电流分布。当击穿气体形成初始闭合磁面以后（等离子体电流在20kA左右），需要设计可靠稳定的等离子体电流爬升方案来实现各种常规和先进偏滤器位形。本项目拟用序列二次规划方法（SQP）来解带约束条件的偏微分方程组（离散化的G-S平衡方程）,得到HL-2M装置高或者低线圈电压的击穿启动方案，根据击穿后的线圈电流和真空室电流分布寻找初始等离子体平衡，设计各种先进偏滤器位形的爬升方案，并利用相关的实验定标率(DIIID、JET)估算等离子体在电流爬升阶段的参数演化和分布。

实现初始等离子体放电，是新托卡马克装置最重要的任务之一。本项目聚焦HL-2M装置初始等离子体放电以及初始等离子体位形控制，利用数值模拟方法对HL-2M装置进行建模，计算各种等离子体击穿方案，发展等离子体位形识别算法，设计相关的控制算法实现初始等离子体位形控制实验。根据此项目得到的放电波形方案，成功实现了HL-2M装置的初始等离子体击穿，设计的反馈控制模型与算法成功实现等离子体圆截面位形的维持。利用实验数据，对HL-2M装置的等离子体击穿与位形控制进行了初步分析，优化了模型中的真空室模型。通过优化模型设计的运行方案，实现了等离子体电流大于120 kA，放电时间长于200 ms的等离子体运行。根据实验数据实现了初步的平衡重建，包括电流剖面、安全因子与密度分布，为下一步实现高参数等离子体放电运行打下了坚实的基础。本项目还利用相关的模型对ITER装置的平衡运行空间进行了拓展，得到了与之前设计结果相同的结果，并对之前的结果进行了补充。本项目取得了一系列的原创成果，包括3篇高水平的SCI/EI论文与1篇中文核心综述文章。通过本项目的实施，培养了1名博士研究生，2名硕士研究生，参与了一系列的国内外学术会议与研讨会，广泛的加深了国内外同行的相关交流。