EAST低杂波电流驱动实验分析及其等离子体输运模拟研究

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低杂波电流驱动(LHCD)作为一种驱动效率非常高的非感应电流驱动方式,是EAST托卡马克开展长脉冲稳态运行实验的重要工具,同时也是ITER将来维持稳态运行的有效途径。此外,LHCD还可以用来控制和优化等离子体参数,提高等离子体性能。  本文首先介绍了低杂波在等离子体中传播的基本理论和电流驱动的基本原理,然后利用热电导理论分析了EAST不同密度、不同位形和不同电流下低杂波驱动效率。利用射线追踪程序GENRAY和C3PO/LUKE分析比较了两种位形下驱动效率的区别,定性的解释了实验结果。分析了高密度下LHCD实验数据并研究探索了驱动效率改善的条件。利用Karney和Fisch电流驱动理论分析了变压器反充电实验,并给出了实验上很难测量的两个参数,功率吸收因子α和平行折射率上移因子β。第一次在全超导托卡马克EAST上设计并开展了在没有欧姆场的情况下利用低杂波驱升(Ramp-up)等离子体电流实验。详细分析了Ramp-up整个过程的物理机制,并得出了目前低杂波驱升电流的能力和能量转换效率。通过实验测量的数据计算出了对于交流运行非常重要的一个物理参数,L/R特征时间。用一种简单的理论模型模拟比较了电流驱升实验结果。通过与PLT和AlcatorC早期Ramp-up实验的比较,分析了目前EAST Ramp-up实验中电流驱升速率和磁能转换效率相对比较偏低的原因,并提出了将来EAST交流运行实验的几点想法。  详细介绍了综合性输运程序CRONOS各模块计算过程,包括磁平衡的计算、输运方程的求解和低杂波电流驱动、离子回旋共振加热(ICRH)、辐射功率的计算等。通过实验测量的温度、密度、辐射功率分布等信息,结合CRONOS程序给出的欧姆功率和低杂波功率分布数据,由能量平衡分析方法计算出高约束模式(H模)等离子体的电子热输运系数,并与波姆/回旋波姆模型结果比较。选取合适的输运模型模拟了电流扩散过程,并自洽的计算了LHCD的传播和驱动电流大小。 C3PO/LUKE自洽的计算结果表明,H模期间低杂波在ρ=0.9处发生了多次模式转换,最后功率沉积在0.4<ρ<0.8区域,驱动电流大小约为50kA。而在低约束模式(L模)期间功率沉积在0.2<ρ<0.6区域,驱动电流大小为150kA。此外,在H模期间由NCLASS模块计算的自举电流~50kA,占总电流比例为10%。借助于波姆/回旋波姆模型和Scaling台基结构模型模拟预测了不同辐射功率、低杂波功率、等离子体电流以及高功率的LHCD和ICRH共同作用下的H模等离子体性能。最后对低杂波优化磁剪切位形作了初步的评估。  
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