不同区间下电流猝灭特性在等离子体破裂期间的对比研究.pdf

第41卷第2 期2024年4月J.At.Mol.Phys.,2024,41:023001(5pp)原子与分子物理学报JOURNAL OF ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICS不同区间下电流猝灭特性在等离子体破裂期间的对比研究Vol.41 No.2Apr.2024竹锦霞？，张长莉，李强（1.四川文理学院智能制造学院，达州6 350 0 0；2 四川文理学院智能制造产业技术研究院，达州6 350 0 0）摘要：托卡马克装置上电磁负载大小值与破裂期间电流猝灭特征有密切的关系电流猝灭特征包括电流猝灭波形以及电流猝灭率等，它将在一定程度上决定装置的寿命：本文选取10 0%一40%，90%一10%，8 0%-2 0%三个区间分析了HL-2A装置上等离子体破裂现象，得到三个不同区间下电流猝灭参数范围：对比分析结果表明：在相同定义下，利用10 0%-40%和8 0%-2 0%区间得到的平均电流猝灭时间以及电流猝灭率分布差异最小，除了8 0%-2 0%区间外，10 0%40%区间也可作为提供最大线性平均等离子体电流猝灭速率近似的适合区间，关键词：等离子体破裂；不同区间；电流猝灭特征；托卡马克中图分类号：0 53Comparison of characteristics of current quenches usingdifferent intervals during disruptions文献标识码：AD0I:10.19855/j.1000-0364.2024.023001ZHU Jin-Xia-2,ZHANG Li,LI-Qiang(1.School of Intelligent Manufacturing,Sichuan University of Arts and Science,Dazhou 635000,China)2.Institute of Innovation and Development Research,Sichuan University of Arts and Science,Dazhou 635000,China)Abstract:The value of electromagnetic load is closely related to the current quench characteristics in the toka-mak during plasma disruption.The characteristics include the current quench waveform and current quench rate,which will determine the life of the Tokamak device to a certain extent.The spontaneous disruption data of theHL-2A are statistically analyzed by using three different intervals of 100%-40%,90%-10%and 80%-20%,and the statistical results are compared and analyzed.The statistical results show that:under the samedefinition,not only the average current quenching time and current quenching rate distribution have the leastdifference between 100%-40%and 80%-20%,but also the average current quenching time and currentquenching rate statistical distribution almost are the same.In addition to the 80%-20%range,the 100%-40%range can also be used as a suitable range to provide an approximation of the maximum linear average plas-ma current quenching rate.Key words:Plasma disruption;Different region;Current quench characteristics;Tokamk体破裂现象的严重威胁等离子体大破裂影响会1 引 言终止等离子体放电、产生高能逃逸电子、大量热为了实现经济运行，托卡马克装置运行必须量还会沉积到装置第一壁以及真空室腔体1.2.具有高安全性，但这种安全性会受到所谓等离子在大破裂过程中，尤其当等离子体中存在高能逃收稿日期：2 0 2 2-0 9-0 1基金项目：国家自然科学基金（117 7 50 6 8；12 0 7 516 3）；国家磁约束核聚变能发展研究专项（2 0 19YFE03010001）作者简介：竹锦霞（197 6 一），女，四川雅安人，教授，硕士，主要从事托卡马克高能电子的实验研究。E-mail：z j x l f g 12 6.c o m023001-1第41卷逸电流，电流猝灭速度巨快、满足次级逃逸电子产生条件时，则可能诱发逃逸电子次级雪崩逃逸，对第一壁会造成更大的损害：巨大的涡流及晕电流与磁场相互作用带来的机械负载不仅会给托卡马克装置带来严重损害，也会对新托卡马克装置的设计带来影响：在等离子体破裂中，平均电流猝灭率与装置上大部件的设计有关（如壁支撑系统，偏滤器附件等）而最大瞬时电流猝灭率却决定了室内小元件的负载设计3，不仅如此，理论研究方面还表原子与分子物理学报往出现在慢猝灭且等离子体发生向下的垂直位移事件时，因此电流猝灭波形的分析可以为装置的安全运行提供有效参考：等离子体电流衰减为破裂前等离子体电流的10 0%、90%、8 0%、40%、20%和10%，对应时间分别记为t100、t o 0、t s 0、t 40、t2o和tio：为了能更好作对比分析，统一使用如下定义：平均电流猝灭时间为：5T100-40440第2 期(1a)明等离子体电流转化为逃逸电流值与等离子体电流猝灭率等也相关41目前为了ITER部件和系统的设计，国内外对当前不同托卡马克装置上电流猝灭数据都进行了分析5,6.国内外很多托卡马克装置都建立了电流猝灭时间数据库，电流猝灭时间的选择区间主要有100%-40%(JET7,HL-2A8),80%-20%(JET7,NSTE9,JT-60U101),90%-10%（J-TEXT，D II-D 12）由于不同实验装置对于外推电流猝灭时间使用不同的定义，得到的结果比较分散尽管前期对HL-2A上的电流猝灭特征进行了分析，但是由于选择使用的外插公式不同，使得不同区间下的对比研究被弱化13,14.为了全面深入分析HL-2A上破裂期间电流猝灭特征，本文研究了HL-2A上等离子体破裂期间电流猝灭过程的动态，并对10 0%40%，9 0%-10%，8 0%-2 0%三个不同区间下电流猝灭特征进行了对比分析，得到不同区间猝灭时间和猝灭速率参数范围，以此评估这三种方法间的差异，优选HL-2A上最佳线性外插方案。这不仅为探索降低等离子体破裂危害提供依据，而且也能为新装置的设计推导提供基础数据：2楼数据分析方法HL-2A是我国第一个偏滤器中型托卡马克装置，目前本装置上已经安装了7 0 多套诊断15.等离子体电流和纵场区间分别为141-339kA，1.19-2.44T.为了实现未来HL-2A设备的稳健运行，得到等离子体破裂特征，选择分析的自然破裂数据排除了出现逃逸电流现象等离子破裂过程产生强烈的涡流和晕电流，这些电流会在真空室及其内壁上产生巨大的电磁力。等离子体电流猝灭时间的精确估算对估计涡流产生的电磁力具有重要意义最大的晕电流往5T90-1010一too45T80-20t204t80平均线性电流猝灭速率为：IPDQR(100-40)T(100-40)IDQR(90-10)T(90-10)IPDQR(80-20)一T(80-20)瞬时最大电流猝灭速率以及对应的最小猝灭时间分别为：dIpQRmax=dtmaxTmin=I p/(-dlp/dt)max3实验结果HL一2 A托卡马克数据库提供了多种不同放电条件下等离子体破裂放电数据等离子体电流信号出现明显正尖峰是等离子体破裂的特征之二16 典型的等离子体破裂过程波形如图1所示，黑色垂直虚线为破裂后标定不同区间电流值对应点：图中右上角展示了不同区间下平均电流猝灭率相关参数若以等离子体电流猝灭时间10ms 为界限，电流猝灭大致可分为快猝灭以及慢猝灭：图1（a)为慢猝灭波放电波形，平均线性电流猝灭率分别为QR(100-40）=5.0 8 k A/ms，Q R(90-10)=6.3kA/ms,QR(so-20)）=5.1k A/ms，瞬时最大电流猝灭速率为48.4kA/ms.图1(b）为快猝灭波放电波形，QR(10-40）=6 6.8 k A/ms，Q R(90-10)=37.8kA/ms，Q R(s 0-2 0）=46 k A/ms，瞬时最大电流猝灭速率为8 7.9 kA/ms.HL-2A上快猝灭波形除了可以指数拟合外，也有线性拟合，这点与J-TEXT、JET 上的研究结果有所不同7,17 图1023001-2(1b)(1c)(2a)(2b)(2c)(3)(4)第41卷(b)中快猝灭波形选择的是指数衰减而非线性衰减波形，利用10 0%-40%区间得到的平均电流猝灭率最大。而在慢猝灭波形中，却是90%10%区间得到的平均电流猝灭率最大：在位移控制稳定阶段，随着等离子体储能的损失，等离子体电流起初缓慢地衰减，此过程对应图1（a）慢猝灭中指数衰减阶段（8 34ms-853ms）当位移失控制时，等离子体和第一壁接触，等离子体电流发生急剧衰减对应慢猝灭尾部快速线性衰减阶段(8 53ms-856 ms），此过程是指数衰减及线性衰减的组合然而在JT EXT 上慢猝灭波形中对应的两个阶段进行拟合，发现都是指数波形拟合除此外，HL-2A上线性电流衰减及指数衰减都能精确拟合最快电流猝灭波形最大的晕电流往往出现在慢猝灭且等离子体发生向下的垂直位移事件时.90%150100500150100500929图1电电流猝灭波形图：（a)慢猝灭波形；（b)快猝灭波形Fig.1The waveforms of the Ip quench discharges:(a)The fast I,quench discharge;(b)The slowI,quench discharge1.18msT100400.5234 567 34567 34567竹锦霞，等：不同区间下电流猝灭特性在等离子体破裂期间的对比研究1:0Ro-0gj5.08kA/ms2:QR(0.0%;6.3kA/ms3:QR(80-20%);5.1kA/ms2835840930931Time(ms)32168(sw)42第2 期等离子体电流猝灭时间作为等离子体破裂研究的重要参数之一，可为托卡马克装置的安全运行提供参考：图2 为三种区间下平均电流猝灭时间在不同安全因子下的分布图由于选择电流衰减区间的不同，预期得到的平均电流猝灭时间值不同，8 0%-2 0%已被证实是提供最大线性平均等离子体电流猝灭速率近似的最适合的区间：为了能更好的对比分析，处理过程都采用统一计算方法：图2 所示10 0%40%、9 0%-10%和80%-20%区间，对应的最小电流猝灭时间分别为1.18 ms、3.18 m s、1.45m s.研究电流猝灭的一个重要的参数是面积归一化平均电流猝灭时间.国外装置在进行数据分析时往往会把电流猝灭时间归一化到等离子体横截面积S上HL-2A托卡马克的等离子体极向截面积大约为0.5m，对应的面积归一化最小电流猝灭时间分别为2.36ms m、6.36 ms m、2.9 ms m.通过对(a)比发现10 0%-40%及8 0%-2 0%区间下电流猝138458505:0Ro0-0%g 37.8kA/ms6:QR(80-20%):46kA/ms20%5 10%14932灭时间值比较接近从数据库得到的面积归一化855860(b)6933(a)最小电流猝灭时间将为设计新装置提供基础.为了获得足够数量的样本，平均电流猝灭时间区域被划分为5 ms一个的区间不同区间下的平均电流猝灭时间统计分布如图3所示，10 0%40%、9 0%-10%和8 0%2 0%区间下平均值分934别为8.18 ms，17.6 3m s，6.6 3 m s 标准差分别为8.9 8，10.38,7.2.10 0%-40%及8 0%-2 0%区间下分布高频率集中在0 5 ms 之间，然而90%-10%下却分布在15-2 0 ms之间其中平均电流灭时间 T100-4o和 Ts0-20 的统计结果走势区别不大，研究结果表明，使用10 0%40%、或(b)(c)3.18ms1.45msTT90-1080-20图2 不同区间下平均电流猝灭时间与q9s关系：（a)100%-40%区间；（b)90%-10%区间；（c)80%-20%区间Fig.2 Plot of the averaged current quench time versus qos using three different interval:(a)100%-40%;(b)90%-10%;(c)80%-20%023001-3第41卷80%-20%区间得到的平均电流猝灭时间分布没有显著差异，而90%一10%区间得到的分布与前两者比较相差甚大：120F8040128804001005000图3不同区间下平均电流猝灭时间统计分布：（a）100%-40%区间;(b)90%-10%区间；(c)80%-20%区间Fig.3Statistical distributions of averaged currentquench time using three dfferent intervals:(a)100%-40%;(b)90%-10%;(c)80%-20%原子与分子物理学报9060300090100-40T(a)90-10(b)80-20(c)1020averagedcurrentquenchtime(ms)第2 期QR:(10-40(a)20406080100120140160180200220QR:0.1060(b)300060300020406080100120140160180200currentquench rate(s)图4不同区间下平均电流猝灭率统计分布：（a）30.4020506040708060100%-40%区间；（b)90%-10%区间；（c)80%-20%区间Fig.4Statistical distributions of averaged currentquench rate using three different intervals:(a)100%-40%;(b)90%-10%;(c)80%-20%300(a)80QR(a0-20)220300(b)100(c)(c)300平均电流猝灭率的大小除了与偏滤器腔室以200及真空室等大部件的设计有关，理论上等离子体电流转化为逃逸电流值与等离子体电流猝灭率也相关电流猝灭率是等离子体破裂研究中重要参数之一，图4中以电流2 0 s-的间隔作为单元。类似于图3，10 0%-40%及8 0%-2 0%区间下得到的平均电流猝灭率分布没有显著差异，而在90%-10%区间与前两者比较相差甚大，2 0 40s-范围是统计分布最大区域：10 0%40%、90%-10%和8 0%-2 0%区间下平均值分别为43.71 s-1，15.8 3s，48.8 6 s.标准差分别为为34.8 5，12.9 9，31.9 统计结果显示在HL-2A上10 0%=40%及8 0%-2 0%两种区间上平均电流猝灭率分布相似。瞬时最大电流猝灭速率不仅与真空室内元件的电磁负载设计相关，而且与环电压与也相关18 目前研究瞬时最大电流猝灭速度是平均电流猝灭速度的几倍，并与平均猝灭速率无关图5为10 0%-40%、9 0%=10%和8 0%-2 0%区间下瞬时最大电流猝灭率与平均线性电流猝灭率的关系，瞬时最大电流猝灭率值对应点分别出现在7 2 kA/ms，39 k A/m s，13k A/m s 处.通过对比分析可以发现8 0%-2 0%区间中瞬时最大电流猝灭率与平均电流猝灭率的比值都是大于1的情况，最高比值出现本区间下，在慢猝灭波形中，瞬时电流猝灭速率值仍然很高.2001001000100200300QR(10040(kA/ms)图5不同区间下瞬时最大电流猝灭率与平均线性电流猝灭率的关系：（a）10 0%40%区间；(b)90%-10%区间(c)80%-20%区间Fig.5 Plot of maximum instantaneous current quenchrate versus QR using three different intervals:(a)100%-40%;(b)90%-10%;(c)80%-20%4 结 论破裂是托卡马克放电中很常见的现象，它会对装置的安全运行造成严重的影响：本文在已经初步研究了HL-2A上等离子体破裂期间电流猝灭特征的基础上，扩展了对三个不同区间的破裂特征进行对比分析，为进一步深人理解自然破裂中等离子体电流灭的物理机制打下基础，也对HL-2A的安全运行以及装置第一壁的保护具有重要参考价值通过对等离子体破裂期间电流猝灭过程的动态，电流猝灭率以及最大电流猝灭率等重要参量的统计分析，得到在10 0%40%和80%2 0%区间下平均电流猝灭时间以及电流猝023001-42001000100200300QR(o-o(kA/ms)100200300QRoo-o0(kA/ms)第41卷灭率分布差异最小：除了8 0%2 0%区间外，100%40%区间也可作为提供最大线性平均等离子体电流猝灭速率近似的适合区间。参考文献：1Tang T,Zeng L,Chen D L,et al.Magnetic energydissipation during the current quench of disruption inEASTJ.J.Plasma Phys.,2020,86:5.2Liu Y,Li L,Kim C C,et al.Interaction between run-away electrons and internal kink in a post-disruptionplasmaJ.Nucl.Fusion,2021,61:116021.3 Riccardo V,Andrew P L,Kaye A S,et al.Disruptiondesign criteria for Joint European Torus in-vesselcomponentsJ.Fusion Sci.Technol.,2003,43:493.4Rosenbluth M N,Putvinsk S V i.Theory for ava-lanche of runaway electrons in tokamaks J.Nucl.Fusion,1997,37:1355.5Basis I P.Iter physics basisJ.Nucl.Fusion,1999,39:2137.6Sugihara M,Lukash V,Kawano Y,et al.Examinationof plasma behavior during disruptions on existing toka-maks and extrapolations to ITERJ.Fusion PlasmaPhys.,2003,27A:P2.139.7Riccardo V,Barabaschi P,Sugihara M.Characteriza-tion of plasma current quench at JETJ.PlasmaPhys.Control.Fusion,2005,47:117.8Tu P,Zhang Y P,Zhu J X.Analysis of characteristicsof current quenches in the tokamak J.J.At.Mol.Phys.，2 0 2 1,38：0 6 30 0 2（i n Ch i n e s e）涂朴，张轶泼，竹锦霞托卡马克等离子体电流猝灭特征行为分析J原子与分子物理学报，2 0 2 1，38：0 6 30 0 2 9Gerhardt S P,Menard J E.NSTX Team.Characteriza-tion of the plasma current quench during disruptions inthe national spherical torus experimentJ.Nucl.Fu-竹锦霞，等：不同区间下电流猝灭特性在等离子体破裂期间的对比研究Phys.,2003,27A:P2.129.11Zhang Y,Chen Z Y,Fang D,et al.Characteristics ofcurrent quenches during disruptions in the J-TEXTtokamakJ.Phys.Scr.,2012,86:25501.12Izzo V A,Parks P B,Lao L L.DIII-D and ITERrapid shutdown with radially uniform deuterium deliveryJPlasma Phys.Control.Fusion,2009,51:105004.13Zhu J X,Zhang Y P,Dong Y B,et al.Characteriza-tion of plasma current quench during disruptions at HL-2A JJ.Plasma Sci.Technol.,2017,19:055101.142Zhu J X,Tu P,Li Q,Study on the characterization ofplasma current quench during disruptionsJ.J.At.Mol.Phys.,2020，37:2 2 7（i n Ch i n e s e）竹锦霞,涂朴，李强等离子体破裂期间电流猝灭特征研究J原子与分子物理学报，2 0 2 0，37：2 2 7 15 Zhang Y P,Liu Y,Yuan G L,et al.Observation ofthe generation and evolution of long-lived runaway e-lectron beams during major disruptions in the HuanLi-uqi-2A tokamakJ.Phys.Plasmas,2012,19:A269.16 Wesson J A,Ward D J,Rosenbluth M N.Negativevoltage spike in tokamak disruptions J.Nucl.Fu-sion,1990,30:1011.17Sugihara M,Lukash V,Kawano Y,et al.Wave formof current quench during disruptions in tokamaks J.Plasma Fusion Res.,2003,79:706.18 Lehnen M,Abdullaev S S,Arnoux G,et al.Runawaygeneration during disruptions in JET and TEXTORJ.J.Nucl.Mater.,2009,390:740.第2 期sion,2009,49:025005.10Kawano Y,Sugihara M,Ozeki T,et al.Characteristicof current quenches of major disruption in JT-60UJ.3Oth EPS Conf.on Conttr.Fusion and Plasma023001-5