托卡马克装置电阻壁模反馈控制的准线性数值研究

Though great progress has been made in the active control of resistive wall mode (RWM) instability by external coils on Tokamak device, the RWM is often regarded, and in fact studied, both in analysis and numerical works, as a linear MHD mode. It is not taken into account of the plasma parameters' evolution caused by perturbation in the presence of feedback control. Actually, the plasma parameters, such as rotation, will change by perturbations when the feedback system turns on for the discharge in the present and future fusion devices. And the rotation will affect the performance of the feedback system. The quasi-linear numerical study on active control of the RWM in Tokamak devices will carried on in this work, to further understand the physics of the magnetic feedback on the RWM stabilization via self-consistent non-linear interaction. The work will be extremely useful for tokamak experiments and design for China, such as HL-2M, EAST and CFETR. The work will computed by MARS-Q code and the plasma toroidal rotation evolution will be taken into account, as well as the kinetic effects which may introduce significant changes in the time evolution of the rotation profile and modify the eigenfunction of the fluid RWM.

托卡马克装置上利用外部线圈反馈控制电阻壁模不稳定性的研究取得了较大进展，然而目前在主动控制系统的描述上，大部分理论和数值研究工作仍然集中在线性控制阶段，没有考虑控制过程中等离子体参数随扰动场的演化。对于聚变装置实际的放电过程，以及未来的聚变堆而言，反馈控制过程中等离子体参数（如旋转速度）在扰动场的作用下会发生较大变化，同时旋转速度的变化会反过来影响反馈控制效果。为了进一步研究清楚反馈过程中电阻壁模不稳定性的非线性演化特性，为我国磁约束聚变装置HL-2M, EAST未来开展电阻壁模不稳定性反馈控制的实验研究提供物理支持，本课题拟利用MARS-Q程序开展反馈控制电阻壁模不稳定性的准线性数值模拟研究。模型中结合漂移动理学效应，考虑了扰动场对等离子体环向旋转速度剖面和幅值的影响。这里扰动场是由反馈控制线圈和电阻壁模不稳定性本身产生的，这些扰动场产生的力矩会影响等离子体旋转速度的演化。

磁约束核聚变的主要目标是追求经济高效的聚变能源。因为托卡马克装置中聚变功率与等离子体比压的平方成正比，先进等离子体运行方案的运行比压一般较高，但是当比压高于无壁比压极限时会激发电阻壁模不稳定性。这种不稳定模式一旦发生，自身很难达到非线性饱和状态，并最终导致放电破裂，损坏装置的内部结构。因此，电阻壁模不稳定性控制一直是等离子体物理研究的关键问题之一。电阻壁模不稳定性控制一般有两种方案，一种是以等离子体环向流或动理学阻尼效应的被动控制，另一种是利用共振磁扰动线圈的主动反馈控制方法。. 本项目利用MARS-F/Q程序进行了电阻壁模不稳定性主动控制的准线性模拟工作。针对ITER装置9MA先进运行方案，利用安装在真空室内的上中下三组共振磁扰动线圈作为控制器计算了电阻壁模不稳定性的随时演化过程。在不考虑传感器噪声情况下，反馈系统控制ITER装置电阻壁模所需要的电压较小，大约1V左右。而噪声会极大地提高系统对线圈电源的要求，在噪声水平为0.25高斯时，控制电阻壁模的最小电压为4V；而噪声达到1高斯时，系统需要的电压将高达40V。基于HL-2M装置的电阻壁模协同控制准线性模拟表明，等离子体旋转能够有效降低系统控制电阻壁模所需要的临界反馈增益及电压电流要求，并提高系统对传感器噪声的耐受程度。我们也模拟了电磁力矩、Reynolds压力力矩及新经典环向阻尼力矩对等离子体环向剖面的影响。. 这些研究结果对ITER及HL-2M装置高比压放电下电阻壁模不稳定性控制实验具有指导价值，并为装置共振磁扰动线圈的设计和优化提供技术支持。