FAR3d程序对EAST上阿尔芬不稳定性识别过程中的应用.pdf
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1、第58 卷第1期2024年1月原子能科学技术Atomic Energy Science and TechnologyVol.58,No.1Jan.2024FAR3d程序对EAST上阿尔芬不稳定性识别过程中的应用王曦辉1-2,黄娟1*,赵海林,JVa r e l a,付静1-2,孙延旭1-2,史唱1-2,王书松1(1.中国科学院合肥物质科学研究院,安徽合肥2 30 0 31;2.中国科学技术大学,安徽合肥2 30 0 2 6;3.Universidad Carlos II de Madrid,28911 Leganes,Madrid,Spain)摘要:为更好理解EAST实验中的等离子体不稳定性现
2、象,文章从实验和模拟两个角度,对EAST中高N放电区间的阿尔芬不稳定性现象进行了分析。在实验上,本文使用高频磁探针和电子回旋辐射诊断对不稳定性的频率、位置、环向模数进行判断。在模拟上首次应用了FAR3d程序,识别了在p=0.45、频率为8 7 kHz的主导模式TAE(t o r o i d i c i t y-i n d u c e d A l f v e n e i g e n m o d e),以及p=0.55、频率为6 2 kHz的次主导模式EPM(energetic particlemode),环向模数均为2,与实验中的测量结果对比在误差范围内基本一致,自洽地识别了不稳定性的类型并且得
3、到了位置与频率信息。在此基础上,对有限拉莫轨道(finiteLarmorradius,FLR)效应进行评估。模拟结果显示,在EAST高放电区间,FLR效应对识别低环向模数n的不稳定性模式的影响较小。在该放电的模式的识别过程中可关闭FLR以加速计算。FAR3d程序高效的计算能力和精准的模拟结果,可为后续EAST的实验提供指导。关键词:FAR3d;阿尔芬本征模;EAST;快离子中图分类号:TL65;053doi:10.7538/yzk.2023.youxian.0284Application of FAR3d in Alfven Instability Identification on EAST
4、WANG Xihuil-,HUANG Juan*,ZHAO Hailin,J.Varela,FU Jing*2,(1.Hefei Institutes of Physical Science,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China;2.University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China;3.Universidad Carlos II de Madrid,28911 Leganes,Madrid,Spain)Abstract:This paper aims to c
5、omprehensively analyze the Alfven instability observed inthe high n discharge of EAST,considering both experimental observations and simula-tion studies.There are two purposes of this paper,the first one is to observe the AEactivity in EAST,the second one is to apply and validate the FAR3d code in E
6、AST.Inthe experimental analysis,the presence of a strong instability is detected using magneticprobes and electron cyclotron emission diagnostics.Two kinds of modes are observed:文献标志码:ASUN Yanxul-,SHI Changl*,WANG Shusongl文章编号:10 0 0-6 9 31(2 0 2 4)0 1-0 0 14-0 9收稿日期:2 0 2 3-0 4-18;修回日期:2 0 2 3-0 6-
7、16基金项目:国家磁约束聚变能源研究专项(2 0 19YFE03020004);国家自然科学基金(1197 52 7 6);安徽省重点研发计划(2 0 2 10 4b 110 2 0 0 0 3);中国科学院合肥大科学中心高端用户培育基金(2 0 2 1HSC-UE015)*通信作者:黄娟第1期ones frequency ranging from approximately 70 kHz to 100 kHz,exhibiting an upwardfrequency sweep,and another frequency at around 60 kHz.These instabiliti
8、es are foundto destabilized near p=0.46 with a toroidal mode number of 2 calculated by toroidalMirnov probe array.Complementing the experimental findings,simulations were per-formed using the eigensolver method of the FAR3d code.This is the first time thatFAR3d code was applied on EAST,so the model
9、needed to be validated by reproducingthe AE activity.The simulation results successfully identify the dominant mode,toroid-al Alfven eigenmode(TAE),occurring at p=0.45 with a frequency of 87 kHz,toroidaland poloidal number n/m=2/3,2/4.Additionally,a sub-dominant mode,energeticparticle mode(EPM),is i
10、dentified at p=0.55 with a frequency of 62 kHz,n/m=2/4.The agreement between the simulation and experimental results confirms the accuracy ofthe simulation model in characterizing the instability types,as well as providing consist-ent location and frequency information.Furthermore,the FAR3d code is
11、employed toevaluate the influence of the finite Larmor radius(FLR)effect.The simulation resultsdemonstrate that the FLR effect has minimal impact on identifying low toroidal modenumber(n)instability modes in the high discharge of EAST.Consequently,the FLReffect can be neglected during the mode ident
12、ification process,allowing for acceleratedcalculations.While,in the simulation of high toroidal mode number,the FLR effectsshould be considered.In conclusion,this study presents a comprehensive analysis of theAlfven instability in the high n discharge of EAST.By combining experimental obser-vations
13、with simulation results,the types of instabilities,their locations,and frequen-cies are successfully identified and found to be in good agreement.Additionally,thestudy confirms that the FLR effect has little influence on identifying low n instabilitymodes,enabling faster calculations by excluding FL
14、R effects during mode identification.These findings contribute to a better understanding of the Alfven instability in high ndischarges and provide valuable insights for future research in fusion plasma physics.Key words:FAR3d;Alfven eigenmode;EAST;fast ion在未来的燃烧等离子体实验中,抑制或控制高能粒子引起的不稳定性是一个至关重要的问题。在托卡
15、马克装置中,高能粒子主要来源于中性束注人(neutral beam injection,NBI)、离子回旋共振加热(ion cyclotron resonanceheating,I C R H)等辅助加热手段,以及聚变产物之一的粒子(3.5MeV)。由于这些粒子携带着极高的能量,且特征速度接近阿尔芬速度,因此易与等离子体背景中的阿尔芬波共振传递能量,从而激发阿尔芬不稳定性,导致快离子再分布或丢失,对装置的加热效率和安全性造成损害。因此,为有效控制高能粒子的行为,保障装置的安全稳定运行,提高聚变能源的经济性和可持续性,对于阿尔芬不稳定性的研究显得尤为重要。王曦辉等:FAR3d程序对EAST上阿尔
16、芬不稳定性识别过程中的应用15尽管阿尔芬不稳定性在理论上已有较完整的物理模型,但在实际实验中,其激发和稳定性仍需进一步研究。通常情况下,阿尔芬不稳定性是根据其激发方式和不稳定特征来区分的,例如由于环效应引起的TAEL21,在安全因子极值处被激发的RSAE(r e v e r s e d s h e a r A lfv e neigenmode)3,以及由于有限比压引起的BAE(Beta-induced Alfven eigenmode)4 等。实验中,磁探针、电子回旋辐射等诊断均可用来对不稳定性进行观测 5。但对于不稳定性的激发机制的分析还需将诊断信息应用到具体物理模型中,所以,各种用于研究不
17、稳定性的程序被开发出来,其中有采用完整粒子模型的GTCL6、采用磁流体和动理学混杂模型的M3D-K7以及本征值程序NOVAC8)等。FAR3d是Spong、16Garcia、V a r e la 等开发的用来学习计算磁流体不稳定性和阿尔芬本征模(AE)不稳定性以及各种动理学效应对它们的影响的模拟程序 9,该程序已在国外各装置上有了广泛的应用。如在日本的仿星器装置LHD上,其被用来研究由快离子激发的TAE不稳定性的特征,模拟了快离子比压对AE不稳定性的影响 10 。在西班牙的TJ-仿星器装置上,研究了多种快离子不稳定性如TAE、EPM 等共同存在时的特征,并通过扫描磁剪切的数值模拟,解释了实验中
18、的TAE频率扫频现象11。之后,针对D-D 装置中的高极向比压放电,FAR3d同样用于识别不稳定性模式,在实验可达到的参数区间内进行参数学习,提出可优化不稳定性的运行参数区间 12 。以外,FAR3d还被用来研究高能粒子对 EIC(energetic-ion-driven resistiveinterchange mode)事件的影响 13 目前在全超导托卡马克装置EAST实验中,已观测到了大量的AE不稳定性现象。如中性束注人条件下激发的TAE141,由杂质引起的撕裂模与BAEC15,磁岛和测地声模耦合引起的BAEC16等。本文针对EAST高N运行模式条件下观察到的AE不稳定性,首次将FAR3
19、d程序应用到EAST上,并结合相关扰动测量进行验证以及细致分析,为进一步不稳定性产生机制的研究和有效控制提供物理依据。1实验研究1.1EAST及快离子不稳定性诊断EAST装置为全超导托卡马克装置,大半径R=1.85m,小半径a=0.45m。EA ST 装置的位型与ITER类似,均为非对称的偏滤器位型。在EAST实验中,快离子主要由 ICRH和NBI加热产生。目前,EAST上的NBI加热系统拥有两条束线,可稳定地在6 5keV束压条件下提供共计5MW以上的功率 17。离子回旋系统目前拥有两条天线,可稳定提供2.5MW以上的输出功率 18 。在快离子不稳定性的诊断方面,EAST装置上配备了最高可探
20、测到50 0 kHz频率的高频磁探针,来测量不稳定性造成的高频磁扰动,并通过磁探针在环向空间上的分布可以计算得到不稳定性的环向模数。EAST上的电子回旋原子能科学技术第58 卷辐射诊断则可以通过测量不稳定性造成的电子回旋辐射扰动,借由其多道外差系统,来提供厘米量级的空间分辨和微秒量级的时间分辨,给出不稳定性的位置和频率信息。除此以外,EAST中还配有软X射线诊断、束发射光谱诊断等对快离子不稳定性进行测量。在上述的不稳定性的直接测量手段以外,EAST中还配有多种诊断来提供快离子的信息。其中,快离子损失探针可以测量不稳定性引起的快离子损失,以及 FIDA(fast ion D-Alpha)诊断可以
21、反演得到快离子的速度空间分布函数。本文中主要使用了高频磁探针诊断和电子回旋辐射诊断,基于测到的不稳定性的模数、频率、位置等信息在实验上对不稳定性做初步分析。1.2实验条件93910炮放电的纵场B,为1.6 T,等离子体电流I,=40 0 k A,电子密度平台大约在2.51019m=3,在 t=6.5 s 时刻,q95=4.0,=1.8,有效电荷数Zeff=2.5。该放电使用了总功率为1MW的低杂波加热和总功率为5MW的NBI注入加热。具体放电参数演化如图1所示。图1e为所选时间范围内的高频磁探针诊断的频谱图,可看到在t=6.0s后,磁探针信号出现了较大的扰动,多支不稳定性已被激发。为避免多个模
22、式的干扰以及诊断测量的时间分辨限制,本文选择了该次放电t=6.5s的时刻点来进行分析,此时具有扫频特性的不稳定性已消失,仅剩一支9 0 kHz附近的频率较稳定的模式。2FAR3d模拟程序简介2.1禾程序概述和物理模型FAR3d程序是由 Spong、G a r c i a、Va r e l a 等开发的一用来学习研究线性MHD和AE不稳定性的模拟工具 19-2 0 。FAR3d采用gyro-fluid模型,通过求解一系列的简化的线性电阻 MHD方程组 2 1,并在其中添加了快离子密度和平行方向的动量的变化,把与快离子相关的效应加人到了程序的物理模型中。如通过加人线性的波-粒共振引人朗道阻尼,加人
23、热离子平行动量的响应耦合测地声模对不稳定性的影响2 1。FAR3d程序在Boozer坐标系(p0,g)中描述等离子体状态,FAR3d模型通过采用大环径第1期400Fa3002.000M/率100003C20d1-S/率士中1200600F01100ZH/率源406.0a等离子体电流;b辅助加热,蓝色线为一4.6GHz低杂波,橙色为两条NBI束线;c一电子密度;d中子产率;e-67s时的高频磁探针频谱图193910 炮放电基本参数Fig.1Basic parameters of shot 93910比和低近似,且忽略快磁声波沿磁场方向的传播,可得到如下形式,其中,Vg为雅各比变换,V为流体元的速
24、度,B为磁场强度,U为涡量,pm为质量密度。Vg=LB2V=VgR。V X V QB=R。V SX V YU=/gVX(pmVgv)sFAR3d程序中将等离子体的热成分和快成分分为两部分。其中热成分可写为:业VgBV+J+atoe2VTe王曦辉等:FAR3d程序对EAST上阿尔芬不稳定性识别过程中的应用e0oVg(VgxVp)-2bNBILHW23时间/e6.217gBVat2fVg(V/gxVnt)5+w.pV2U-2oipi.eg(Sei)imagh2a()-2ewr(BXP.V)(6)enB2+dped1业TpeaV.y-atdoBoiPi.caTpegVll.thVPVX2eweynB
25、2aoat2no.th466.46.6时间/s2eweyndoB(7)(8)以涡量方程(式(6)为例,介绍模型中所考虑的效应。式(6)中第1项表示的是平衡的环向旋转带来的影响;第2、3项为电流在磁场B方向的变化的影响;第4项为等离子体压强梯度项;第5项为快离子的密度梯度驱动项;第6项为热离子的有限拉莫半径效应项;第7 项为6.87.0(1)(2)(3)(4)V力(5)朗道阻尼项;第8 项表示双流体效应影响。此外,式(7)中第3、4项表示声波带来的压缩效应。FAR3d模型中,通过引快离子密度和平行方向的动量的变化,把与快离子相关的效应加入到了程序的物理模型中。描述快离子成分的关系式如下。anfa
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