竹錦霞,涂 樸,李 強

(四川文理學(xué)院 智能制造學(xué)院,達州635000)

1 引 言

等離子體大破裂是托卡馬克裝置放電運行時不可避免的一個常見現(xiàn)象.等離子體破裂放電導(dǎo)致放電突然中止，由于產(chǎn)生高通量逃逸電子以及熱通量的釋放嚴(yán)重危害裝置的安全.破裂會對裝置造成電磁力負載、局部熱負載和高能逃逸電子等危害，是影響托卡馬克裝置實現(xiàn)商業(yè)發(fā)電的難題之一.尤其是對大型聚變裝置如(ITER)，破裂問題對等離子體第一壁、包層以及真空室的設(shè)計都是最嚴(yán)重的問題[1].真空室和室內(nèi)元件所承受的巨大機械負載主要是由電磁感應(yīng)的渦流和垂直位置失控引起的暈電流與磁場相互作用產(chǎn)生的.渦流和暈電流都與破裂期間電流猝滅速率相關(guān)的，它們的幅值對托卡馬克裝置的負載設(shè)計有很大的影響，并且理論預(yù)言等離子電流與逃逸電流轉(zhuǎn)化也和電流猝滅速率相關(guān)的.盡量避免暈電流和渦流的產(chǎn)生，降低其作用于真空室和真空室內(nèi)部部件上的電磁力是防止破裂的主要目標(biāo)之一.

電流猝滅速率與電磁負載大小以及逃逸電子束的形成都有密切關(guān)系，電流猝滅率在一定程度上決定了裝置的壽命.為了保護裝置的安全運行，國內(nèi)外裝置上都進行了等離子體破裂期間電流猝滅特性的研究[2-5].本文在已研究80%-20%區(qū)間下等離子體電流猝滅的特征的基礎(chǔ)上[6]，利用90%-10%的區(qū)間統(tǒng)計分析了破裂期間電流猝滅特征，并對兩種不同區(qū)間下的猝滅特性進行對比.研究等離子體破裂期間電流猝滅特征，為探索降低等離子體破裂危害提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

2 電流猝滅分析方法及實驗結(jié)果

等離子體破裂通常分為如下幾類：低密度鎖模破裂、密度極限破裂、垂直不穩(wěn)定性破裂、β極限破裂、q=2極限破裂.圖1 為HL-2A上典型的密度極限破裂.圖(a)到(c)分別是等離子體電流，等離子體表面環(huán)電壓和等離子體線平均密度三個參數(shù)隨著時間的演化過程.當(dāng)放電進行到1000 ms時，等離子體密度不斷增加，直到1200 ms時等離子體發(fā)生熱猝滅，等離子體電流迅速下降引起電感應(yīng)而導(dǎo)致環(huán)電壓瞬間升高.等離子體電流出現(xiàn)的正脈沖以及環(huán)電壓的負脈沖信號是等離子體破裂的特點.

圖2為HL-2A上統(tǒng)計出的常見的四種不同類型的電流猝滅波形圖.(A)線性擬合波形，(B)指數(shù)擬合波形，(c)前慢后快型波形，(D)逃逸平臺型波形.以10 ms為界限，大于10 ms為慢猝滅，反之亦然.其中(A)、(B)是快電流猝滅波形，而(C)、(D)是慢電流猝滅波形.(D)中由于感應(yīng)出的高環(huán)向電場加速逃逸電子而形成了約100ms的逃逸電流平臺.若無法控制的逃逸電流直接撞擊到裝置器壁上將會導(dǎo)致嚴(yán)重后果.

圖1 等離子體破裂放電波形(a)等離子體電流,(b)等離子體表面環(huán)電壓,(c)等離子體線平均密度Fig.1 Waveforms of plasma disruption discharge (a)The plasma current,(b)the loop voltage,(c)the central line-averaged density

圖2 不同類型電流猝滅的波形圖.Fig.2 Different type waveforms of plasma disruption discharges

平均電流猝滅速率和最大瞬時電流猝滅速率是研究托卡馬克裝置上電流猝滅性質(zhì)的基本參量.等離子體電流衰減為破裂前等離子體電流的100%、90%、80%、40%、20%和10%和時間分別記為t100、t90、t80、t40、t20和t10.電流猝滅速率不僅與電磁負載的大小有關(guān)，而且還與逃逸電子束的形成有關(guān).盡管很多裝置上都建立了電流猝滅時間的數(shù)據(jù)庫，但不同的托卡馬克裝置上選擇的研究區(qū)間并不相同.DIII-D,J-TEXT電流猝滅時間選擇的區(qū)間是90%-10%[7,8]，JT-60U[9]和HL-2A[6]電流猝滅時間選擇的區(qū)間為80%-20%，JET卻為100%-40%[10].在前期HL-2A已經(jīng)選用了80%-20%區(qū)間進行等離子體電流猝滅的特征分析，得到了在快電流猝滅階段，線性擬合及指數(shù)擬合都與實驗數(shù)據(jù)相符等研究結(jié)果[6].為了能全方位分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)，本文則選擇90%-10%的等離子體電流衰減區(qū)間研究，并與前期研究進行對比.電流猝滅時間、平均線性電流猝滅率分別定義為：

(1)

(2)

其中，IPD是猝滅前等離子體電流值.

等離子體破裂過程復(fù)雜，并且破裂過程很快.本文挑選了HL-2A裝置放電數(shù)據(jù)庫中250炮自然破裂的數(shù)據(jù)分析了等離子體電流猝滅特征.圖3為兩種不同研究區(qū)間下電流猝滅時間與邊界安全因子的關(guān)系圖.從統(tǒng)計分析結(jié)果可以看出，τ80-20和τ90-10的最小值分別為2.2 ms和2.6 ms.圖4 為不同研究區(qū)間下，平均線性電流猝滅率與安全因子的關(guān)系.從統(tǒng)計圖得出QR(80-20)主要集中在50(KA/ms)內(nèi)，而QR(90-10)的區(qū)間值可達到140(KA/ms).

圖3 80%-20%和90%-10%區(qū)間下，平均電流猝滅時間與安全因子的關(guān)系Fig.3 Plot of the average current quench time versus safety factor q95 at the range of 80%-20% and 90%-10%.

圖4 80%-20%和90%-10%區(qū)間下，電流猝滅率與安全因子的關(guān)系Fig.4 Plot of the average current quench rate versus safety factor q95 at the range of 80%-20% and 90%-10%.

圖5 80%-20%和90%-10%區(qū)間平均電流猝滅時間統(tǒng)計分布Fig.5 Statistical distributions of averaged current quench time:(A)τ90-10and (B) τ80-20

標(biāo)準(zhǔn)差在概率統(tǒng)計中常作為統(tǒng)計分布程度上的測量，它反映了組內(nèi)個體間的離散程度.τ90-10的統(tǒng)計分布如圖5(A)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為10.39，平均值為17.67.τ80-20的統(tǒng)計分布如圖5(B)標(biāo)準(zhǔn)偏差為9.66，平均值為8.86.不同區(qū)間下平均電流猝滅時間統(tǒng)計分布明顯不同.

3 結(jié) 論

托卡馬克放電過程中的破裂行為會對裝置的安全性造成嚴(yán)重威脅.等離子體破裂期間電流猝滅特征在一定程度上決定了裝置的壽命.本文利用90%-10%的區(qū)間統(tǒng)計分析了破裂期間電流猝滅特征，總結(jié)出了HL-2A上等離子體破裂期間四種不同的電流猝滅波形，統(tǒng)計了電流猝滅時間以及電流猝滅率，并與前期80%-20%區(qū)間上的實驗結(jié)果進行了對比.為該裝置上的破裂數(shù)據(jù)庫提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).