EAST等离子体破裂阶段逃逸电子产生和损失机制的自洽数值模拟研究

Runaway electrons generated during disruptions in Tokamaks can be accelerated to very high energy, and runaway current profile tends to be much more peaked than pre-disruption plasma current. Moreover, the power fluxes deposited on plasma facing components (PFCs) during runaway termination tends to be localized. It makes runaway electrons to be one of the most serious issues for the safety of PFCs. Experimental and theoretical studies on the generation and loss mechanisms of runaway electrons during plasma disruptions are needed. This project will develop a self-consistent code about disruption runaway electrons, which will coupling the diffusion of induced electric field in plasma, the dynamics of runaway electrons, the generation and loss mechanisms of runaway electrons during disruption. Based on this code, important topics will be studied, such as the magnitude of runaway current, contribution on runaway current from the two generation mechanisms, evolution of radial runaway current density profile, conversion of magnetic energy into kinetic runaway energy, suppression of runaway electrons by diffusion caused by magnetic fluctuations, which will also compare with experimental results in EAST Tokamak. It can guide the runaway mitigation strategies, and helps to understand the control of runaway electron beams in experiments.

托卡马克等离子体破裂阶段产生的逃逸电子具有能量高，电流大并有峰化趋势，损失区域集中等特性，会严重影响到面向等离子体部件的安全性，理论和实验上都需要对等离子体破裂阶段逃逸电子的产生和损失机制进行深入研究。 该项目将通过耦合等离子体破裂时自感应电场的扩散过程，逃逸电子的动力学行为，及逃逸电子的产生和损失机制，建立国内第一个系统完善并自洽的破裂逃逸电子模型。以此为基础研究与破裂逃逸电子相关的重要问题，主要包括逃逸电流大小，不同逃逸产生机制贡献与EAST等离子体参数之间的具体依赖关系，破裂逃逸电流径向密度剖面的演化过程，磁能和逃逸电子动能之间的转化关系，不同阶段不同程度的损失过程对破裂逃逸电子行为的影响，破裂逃逸电子的损失特性。同时也与EAST装置上的实验结果互相校验，为实验上抑制破裂逃逸电子的影响提供支持，探索破裂逃逸电子束的反馈控制方法。

本项目的主要研究内容是建立一个从等离子体大破裂热淬灭开始到逃逸电子损失这段过程中破裂逃逸电子的一维自洽模型，并以此为基础研究与破裂逃逸电子相关的重要问题。目前，我们已经建立了耦合等离子体破裂时自感应电场的扩散过程、逃逸电子的动力学行为、及逃逸电子的产生和损失机制的一维破裂逃逸电子自洽模型，并以此为基础研究了EAST实验中的破裂逃逸电子行为。通过利用开发的一维自洽破裂逃逸电子模型，结合EAST上的丰富的实验数据，给出了破裂阶段的逃逸电子密度和感应电场的径向分布演化，研究了磁场能量和逃逸电子能量之间的转化过程，研究了逃逸电子的损失特性，研究了有效的逃逸电子抑制手段等内容。同时，利用逃逸电子的同步辐射特性诊断并研究了约束在等离子体内部的高能逃逸电子行为，根据其同步辐射特性研究逃逸电子能量的演化过程。也完成了相关逃逸电子诊断系统的建设和维护工作，这为研究逃逸电子提供了非常重要和可靠的实验数据。总体来说，我们完成了项目任务书中提交的研究目标，取得了相应的成果，为下一步的研究工作提供了很好的基础。