等离子体破裂期间电流猝灭特征研究

竹锦霞,涂 朴,李 强

(四川文理学院 智能制造学院,达州635000)

1 引 言

等离子体大破裂是托卡马克装置放电运行时不可避免的一个常见现象.等离子体破裂放电导致放电突然中止，由于产生高通量逃逸电子以及热通量的释放严重危害装置的安全.破裂会对装置造成电磁力负载、局部热负载和高能逃逸电子等危害，是影响托卡马克装置实现商业发电的难题之一.尤其是对大型聚变装置如(ITER)，破裂问题对等离子体第一壁、包层以及真空室的设计都是最严重的问题[1].真空室和室内元件所承受的巨大机械负载主要是由电磁感应的涡流和垂直位置失控引起的晕电流与磁场相互作用产生的.涡流和晕电流都与破裂期间电流猝灭速率相关的，它们的幅值对托卡马克装置的负载设计有很大的影响，并且理论预言等离子电流与逃逸电流转化也和电流猝灭速率相关的.尽量避免晕电流和涡流的产生，降低其作用于真空室和真空室内部部件上的电磁力是防止破裂的主要目标之一.

电流猝灭速率与电磁负载大小以及逃逸电子束的形成都有密切关系，电流猝灭率在一定程度上决定了装置的寿命.为了保护装置的安全运行，国内外装置上都进行了等离子体破裂期间电流猝灭特性的研究[2-5].本文在已研究80%-20%区间下等离子体电流猝灭的特征的基础上[6]，利用90%-10%的区间统计分析了破裂期间电流猝灭特征，并对两种不同区间下的猝灭特性进行对比.研究等离子体破裂期间电流猝灭特征，为探索降低等离子体破裂危害提供基础数据.

2 电流猝灭分析方法及实验结果

等离子体破裂通常分为如下几类：低密度锁模破裂、密度极限破裂、垂直不稳定性破裂、β极限破裂、q=2极限破裂.图1 为HL-2A上典型的密度极限破裂.图(a)到(c)分别是等离子体电流，等离子体表面环电压和等离子体线平均密度三个参数随着时间的演化过程.当放电进行到1000 ms时，等离子体密度不断增加，直到1200 ms时等离子体发生热猝灭，等离子体电流迅速下降引起电感应而导致环电压瞬间升高.等离子体电流出现的正脉冲以及环电压的负脉冲信号是等离子体破裂的特点.

图2为HL-2A上统计出的常见的四种不同类型的电流猝灭波形图.(A)线性拟合波形，(B)指数拟合波形，(c)前慢后快型波形，(D)逃逸平台型波形.以10 ms为界限，大于10 ms为慢猝灭，反之亦然.其中(A)、(B)是快电流猝灭波形，而(C)、(D)是慢电流猝灭波形.(D)中由于感应出的高环向电场加速逃逸电子而形成了约100ms的逃逸电流平台.若无法控制的逃逸电流直接撞击到装置器壁上将会导致严重后果.

图1 等离子体破裂放电波形(a)等离子体电流,(b)等离子体表面环电压,(c)等离子体线平均密度Fig.1 Waveforms of plasma disruption discharge (a)The plasma current,(b)the loop voltage,(c)the central line-averaged density

图2 不同类型电流猝灭的波形图.Fig.2 Different type waveforms of plasma disruption discharges

平均电流猝灭速率和最大瞬时电流猝灭速率是研究托卡马克装置上电流猝灭性质的基本参量.等离子体电流衰减为破裂前等离子体电流的100%、90%、80%、40%、20%和10%和时间分别记为t100、t90、t80、t40、t20和t10.电流猝灭速率不仅与电磁负载的大小有关，而且还与逃逸电子束的形成有关.尽管很多装置上都建立了电流猝灭时间的数据库，但不同的托卡马克装置上选择的研究区间并不相同.DIII-D,J-TEXT电流猝灭时间选择的区间是90%-10%[7,8]，JT-60U[9]和HL-2A[6]电流猝灭时间选择的区间为80%-20%，JET却为100%-40%[10].在前期HL-2A已经选用了80%-20%区间进行等离子体电流猝灭的特征分析，得到了在快电流猝灭阶段，线性拟合及指数拟合都与实验数据相符等研究结果[6].为了能全方位分析统计数据，本文则选择90%-10%的等离子体电流衰减区间研究，并与前期研究进行对比.电流猝灭时间、平均线性电流猝灭率分别定义为：

(1)

(2)

其中，IPD是猝灭前等离子体电流值.

等离子体破裂过程复杂，并且破裂过程很快.本文挑选了HL-2A装置放电数据库中250炮自然破裂的数据分析了等离子体电流猝灭特征.图3为两种不同研究区间下电流猝灭时间与边界安全因子的关系图.从统计分析结果可以看出，τ80-20和τ90-10的最小值分别为2.2 ms和2.6 ms.图4 为不同研究区间下，平均线性电流猝灭率与安全因子的关系.从统计图得出QR(80-20)主要集中在50(KA/ms)内，而QR(90-10)的区间值可达到140(KA/ms).

图3 80%-20%和90%-10%区间下，平均电流猝灭时间与安全因子的关系Fig.3 Plot of the average current quench time versus safety factor q95 at the range of 80%-20% and 90%-10%.

图4 80%-20%和90%-10%区间下，电流猝灭率与安全因子的关系Fig.4 Plot of the average current quench rate versus safety factor q95 at the range of 80%-20% and 90%-10%.

图5 80%-20%和90%-10%区间平均电流猝灭时间统计分布Fig.5 Statistical distributions of averaged current quench time:(A)τ90-10and (B) τ80-20

标准差在概率统计中常作为统计分布程度上的测量，它反映了组内个体间的离散程度.τ90-10的统计分布如图5(A)，标准偏差为10.39，平均值为17.67.τ80-20的统计分布如图5(B)标准偏差为9.66，平均值为8.86.不同区间下平均电流猝灭时间统计分布明显不同.

3 结 论

托卡马克放电过程中的破裂行为会对装置的安全性造成严重威胁.等离子体破裂期间电流猝灭特征在一定程度上决定了装置的寿命.本文利用90%-10%的区间统计分析了破裂期间电流猝灭特征，总结出了HL-2A上等离子体破裂期间四种不同的电流猝灭波形，统计了电流猝灭时间以及电流猝灭率，并与前期80%-20%区间上的实验结果进行了对比.为该装置上的破裂数据库提供基础数据.