外加偏压电极控制 MHD 不稳定性研究

磁约束核聚变教育部研究中心（东华大学）东华大学理学院

钟方川

2009 年 12 月份 HT-7 实验提案汇报

•课题来源

•研究意义

•研究背景

•研究方案

•实验要求

课题来源

2008 年罗家融研究员申请获得的 973 子课题“稳态运行条件下托卡马克电阻壁模的主动控制研究 ”的资助。在课题中我们提出了利用外加偏压导体壳抑制 RWM 的研究。我们希望通过 HT-7 上的实验为将来的研究奠定基础。

•先进托卡马克装置要求能实现高温、高密度、高的等离子体的稳定约束。

•各种 MHD 不稳定型出现和发展将导致等离子体约束品质的恶化，乃至放电的破裂，限制了的提高和托卡马克先进运行模式的实现。

•抑制和控制 MHD 不稳定性的发生和增长是托卡马克聚变等离子体实验和理论研究中的重要问题。

研究意义

理论和实验均表明，适当的等离子体旋转有利于 MHD 的稳定。

研究意义

A

crit

V

装置 DIII-D JET JT-60U NSTX

12% 0 ． 61% 1% 46%

不同装置 RWM 稳定时的最低临界速度与阿尔芬波速度的比值

研究意义

如何维持或增加等离子体旋转速度？ NBI( 最为有效） RF Wave Biased Electrode

BvBvPen

E iri

r 1

通过偏压改变 Er 改变 V 、 V 。

研究意义

除了通过改变等离子体的旋转速度而影响MHD 不稳定性外，外加偏压还通过 EB漂移，抑制 turbulence ，改善等离子体粒子和能量约束，从而影响等离子体的电流、压强分布实现对 MHD 不稳定性的致稳作用。

研究意义

然而目前对偏压的研究还不是很系统，偏压对等离子体影响与装置尺寸及放电参数间的关系还不是很清楚。特别是等离子体对电场的屏蔽作用，使外加电场能在多大尺度范围内影响等离子体的分布，能否有效地抑制锁模的发生，等一系列问题多有待深入的研究。

研究意义

装置名称 国家 R/a(cm)

Bt(T) IP(kA) Ne(/m3) Te(eV)

SINP India 30/7.5 0.45 10-30 1-31019 ？ KT-5 China 32.5/8.5 0.5 10 1.0 1019 20

CASTOR Czech 40/8.5 1 15 1-21019 ？ ISTTOK Portugal 46/8.5 0.6 8 71018 260

TCABR Brazil 61/18 1.1 110 1-41019 600

TdeV Canada 87/27 1.5 210 ？ ？Phased-T USA 93/26 0.7-1.0 70-100 1.0 1019 400

CCT USA 150/40 0.3 50 21018 150

T-10 Russia 150/33 2.5 200-300

1-41019 ？

TEXTOR Germany 175/46 2.35 190 1-21019 1000-1500

研究现状

装置名称 偏压方式 电极大小（ mm)

与限制器间的距离 (m

m)

偏压电极电压 / 电流

SINP negative 6 10 -20 300V/100A

KT-5 positive 30 4 10 150V/200A

CASTOR positive 50 >0 200V/40A

ISTTOK, bipolar 3 125 0 300V/400A

TCABR, positive 20 5 -20 600V/150A

TdeV( multi divertor 0 300V/100A

Phased-T positive 25 30 -30 500V/300A

CCT negative ? ? 1000V/40A

T-10 positive 154555 -20 450V/80-200A

TEXTOR bipolar 130 35 15

-60 900 V/100A

研究现状

研究现状

各装置的实验表明外加偏压能够(1 ）约束改善（ LH)(2) 改变旋转速度(3) 抑制或激发 MHD 不稳定性

（ 1 ） 约束改善（ LH)

Biased experiment in TEXTOR

* R.R. WEYNANTS, et. al, NUCLEAR FUSION, Vo1.32, NOS (1992)

* E.Y. WANG*, Xin WANG, D.A. DIEBOLD,et al, NUCLEAR FUSION, Vol. 35. No.4

BIASED H MODE EXPERIMENTS IN PHAEDRUS-T

Only Positive Biased trigger the LH Same results in T-10

In N biased, Ion current is too small to trigger LH ?

Biased experiment in ISSTK

Negative biased improve the confinement.Positive biased degrade the confinement.

* J A C Cabraly, et. Al, Plasma Phys. Control. Fusion 40 (1998) 1001–1019

Which is critical, Polarization ？Current ？

Auxiliary heating enhance the confinement improvement in biased experiment

OH ECRH

OHECRHECRH+Biasing

LH 过程中总伴随着边界参量梯度的陡化

Biased experiment in Castor

偏压产生的边界参数具有空间不对称性

(2) 改变旋转速度

Biased experiment in KT-5

Current injection Plasma biasing Hybrid biasing

Biased experiment in Tdev

Rotation experiment in HBT-EP ( 2009 APS meeting)

(3) 抑制或激发 MHD 不稳定性

I.C. Nascimento et. al, Nucl. Fusion 47 (2007) 1570–1576

Suppression and excitation of MHD activity at TCABR

Suppression and excitation of MHD activity at SNIP

实验方案

移动限制器

偏压电源

plasma

隔离偏压电源：电压 400 ～ 500V,电流 100 ～ 300A（为了放电安全，电源将采取限流保护）

电极：1 、活动限制器2 、内真空室

诊断电源可能与真空室连通的诊断请评估设备的安全性，最好能断开！！！

实验方案

实验中在出现强烈的 MHD 不稳定性下，投入脉冲偏压（ 100-300 ms ）。观测：(1) 偏压大小(2) 偏压极性(3) 电极位置对 MHD 、旋转、参数分布、约束等的影响。

放电参数：能稳定出现 MHD 扰动的放电，有无 LHW 均可。申请炮数： 60100

诊断要求：电磁测量信号，特别是 Mirnov 探针信号Soft X-ray 信号边界探针信号（测边界 ne, Er 及分布 )DNB( 测旋转速度）

预期结果 : 偏压抑制或激发 MHD 扰动，得出偏压参数对扰动的影响。

实验方案

谢谢！诚请指导！