EAST三维导体壁结构对等离子体垂直位移引起的破裂与晕电流的影响

Plasma disruption is an off-normal event. During the plasma disruption, due to the variations of toroidal and poloidal magnetic flux, the halo current is driven close to the plasma surface (scrape-off layer), which has a helical structure distribution along the magnetic field direction. When the plasma hits the wall, large halo currents will be injected into the in-vessel components, which are superimposed with image currents, giving rise to huge electromagnetic loads (electromagnetic force and torque) and thermal loads acting on the plasma facing components, possibly having a serious impact on the operational lifetime of the in-vessel components. In this research project, we apply CarMa0NL, with the capability of treating self-consistently a nonlinear evolution of an axisymmetric plasma (in the evolutionary equilibrium limit), in the presence of three-dimensional (3D) volumetric conductors surrounding the plasma, to carry out the simulation studies of EAST plasma disruption caused by the vertical instability, to analyze the distributions of image currents and halo currents inside the 3D conducting wall structures, which will be validated via using the experimental data. And the globe and local electromagnetic loads exerting on the 3D conductors will be evaluated completely. The effect of 3D conducting wall structures on halo current will be discussed in detail by calculating the halo region width and halo current distribution by means of the comparison of using the axisymmetric model and 3D model for the conductive wall respectively.

等离子体破裂是非正常事件。在发生破裂的过程中，由于环向和极向磁通量的变化，在等离子体表面附近（刮削层区域）会形成沿磁力线方向成螺旋结构分布的晕（halo）电流。当等离子体碰触第一壁时，大量的halo电流会注入到内部部件中，其与感应涡流相叠加将使得内部部件承受巨大的电磁载荷（电磁力和扭矩）与热负荷，这可能对内部部件的运行寿命造成严重损害。在本项目中，我们采用能自洽考虑导体结构三维效应的非线性平衡演化程序CarMa0NL来进行EAST等离子体垂直不稳定性引起的破裂的模拟研究,分析感应涡流和halo电流在三维导体结构中的分布情况，并通过实验数据加以验证，评估三维导体结构所承载的整体和局域电磁载荷。我们将通过比较在轴对称导体壁与非轴对称导体壁情况下计算的halo区域宽度和halo电流分布来分析三维导体结构对halo电流的影响。

垂直不稳定性是拉长偏滤器位形等离子体的固有特性。若不对这种不稳定性加以控制，那么它将导致等离子体发生破裂。在发生垂直位移破裂期间，等离子体表面会形成沿磁力线方向成螺旋结构分布的晕(halo)电流。当等离子体碰撞内部部件时，大量的halo电流会注入其中，它们与感应涡流叠加将使得部件承受巨大的电磁力。.在本项目中，我们分别应用CarMa0和TokSys构建了EAST三维线性模型、刚性与可形变等价二维模型、刚性与非刚性二维模型和使用“标准”与“磁冻结”等离子体边界假设的线性模型，得到了如下结果：.1) CarMa0 三维模型预测的不稳定性增长率与实验值匹配得非常好，相对误差在5%以内。等价二维模型能提供与三维模型非常接近的增长率和稳定裕度。 . 2) TokSys刚性丝电流模型模拟的增长率比可形变模型的结果要大，而计算的稳定裕度要小。 .3) 分别采用“标准”和“磁冻结”等离子体边界假设的两个线性模型被比较，所得计算结果相当接近。事实上，磁冻结边界假设给出相对高一点的增长率。.我们采用三维非线性平衡演化程序CarMa0NL模拟了等离子体发生垂直位移破裂的演化过程，评估了halo电流和三维结构所承受的电磁力，所得结果如下：.1) 在VDE线性阶段，CarMa0NL预测的平衡边界，电流重心垂直和径向位置与EFIT反演结果吻合较好。它非线性计算的增长率和线性模型结果以及EFIT计算值展现了非常好的一致性。.2) 通过采用不同的halo区磁通宽度模型，我们计算了多种情形下的环向和极向halo电流。不同的halo电流幅值对应不同的平衡演化和电流重心迹线。环向halo电流越小则极向halo电流越大，模拟的环向halo电流幅度最大为160 kA最小为85 kA。.3) CarMa0NL预测的真空室环向总电流与实验测量值匹配得非常好。考虑不同halo电流幅值的情形下，模型计算的流过上下偏滤器支撑的涡流和halo电流都与实验测量值吻合较好。 .4) 我们还评估了真空室和内部部件所承受电磁力。考虑400 kA的等离子体向上垂直位移破裂的情况，则真空室承受的径向力高达110 kN，垂直力为86 kN。上偏滤器由于halo电流的注入将承受较大的电磁力，特别是dome板会承受到约64 kN的垂直力。