EAST装置上主动控制电阻壁模的数值研究

It is well known that a dangerous magnetohydrodynamic instability named resistive wall mode (RWM) will pose a severe limitation on the operational space with the high performance devices, when plasma pressure exceeds the critical no-wall beta, and lead to disruption of discharge finally. Hence the stabilization of the RWM is the question which we have to face. Recently, theoretical and experimental efforts found that plasma rotation or active control may be needed to completely realize the stabilization of RWM. However, most of theories have been done in an ideal control system during the linear stage, devoid of the noise and the information of plasma. In this work, the condition of exciting RWM will be calculated for the EAST device, and the effective active control schemes also can be obtained. The emphasis of this project is to investigate the effect of the noise, plasma rotation and resistivity on evolution of RWM with non-ideal control system, in order to understand the physical machine of stabilized RWM and optimize theoretical model of control schemes. In addition, the effective control system will be given, which will realize the stabilization of RWM even for the non-linear control stage, and be help for the designation and optimization of the control schemes of RWM in EAST device.

对于等离子体比压超过无壁比压极限的长脉冲托卡马克装置，电阻壁模(RWM)的存在将妨碍高参数等离子体放电的实现，并导致放电破裂。如何避免和稳定RWM是当今先进托卡马克实验和理论研究的迫切问题。研究表明，可以通过等离子体旋转和主动控制两种方式稳定RWM。但是，目前主动控制RWM的理论工作主要集中在处于线性控制阶段的理想控制系统，且不考虑噪声、等离子体内部性质以及非线性控制阶段对RWM演化规律的影响，然而这些对理解和稳定RWM是非常重要的。本项目依托EAST装置，预测其上出现RWM的条件和有效的控制方案。研究在非理想主动控制系统中，不同种类的噪声、等离子体旋转及等离子体电阻对RWM演化规律和性质的影响，深入了解促使RWM稳定的物理机制，并修正和优化控制方案的理论模型。给出不同情况下，进入非线性控制阶段后，依然能够实现RWM稳定的有效控制方案，为实验研究提供支持和帮助。

当托卡马克等离子体比压超过无壁比压极限时，可以诱发大尺度不稳定性电阻壁模（RWM），从而限制装置的运行参数。目前利用反馈控制系统稳定RWM的理论和实验工作所研究的系统，主要是不包含噪声信号的理想反馈控制系统。本项目根据解析结果建立数值模型，在传感器信号中引入噪声源，研究该非线性反馈控制系统中，噪声信号对RWM稳定性的影响。另一方面，边缘局域模（ELMs）是运行在高约束模式下的托卡马克装置中一种常见的磁流体不稳定性，对未来聚变装置具有潜在威胁，如ITER。研究表明，利用共振扰动场（RMP）可缓解甚至完全抑制ELMs。虽然该物理机制尚不清晰，但是等离子体对RMP场的响应与ELMs行为相关。本项目利用具有环几何和等离子体流的电阻磁流体程序MARS-F，建立等离子体对RMP场响应的模型，用以理解利用RMP场控制ELMs行为的物理机制。当ELMs被缓解时，我们建立不同等离子体响应模型，讨论不同参数对等离子体响应的影响，并与ASDEX Upgrade装置上的ELMs控制实验数据进行对比，吻合很好，该方法也已经应用于ITER装置上RMP线圈的优化设计；当ELMs被完全抑制时，我们根据目前的理论构建数值模型，用于模拟台阶区有理面上具有大磁岛结构时，将该有理面附近的等离子体平衡压强局域地变平，从而模拟发生磁渗透的物理过程。该结构主要影响等离子体流速很低时，等离子体对RMP场的响应效果，甚至可以将GGJ屏蔽效应完全消除，从而影响当台阶区等离子体流速较慢时的ELMs行为。