EAST低杂波电流驱动的数值模拟及分析

介绍了波的射线轨迹程序C3PO和求解三维Fokker-Planck方程程序LUKE的基本计算过程及其物理机制。该程序采用的是反弹平均方法,考虑了相对论效应和捕获粒子效应。利用此程序模拟并分析了EAST偏滤器位形下等离子体电流对低杂波传播以及驱动效率的影响。计算结果表明,随着电流的增大,低杂波射线轨迹在极向的旋转加快,功率沉积位置内移,驱动效率变大。此外,还发现当波束在上平面

第 3卷第 4期 1 201年 l 1 2月文章编号：0 5— 0 62 )4 0 8— 8 2 4 6 8(0 0- 2 9 0 1 1

核聚变与等离子体物理Nu la u i na dP a m aP y is ce r so n ls h sc F

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E S A T低杂波电流驱动的数值模拟及分析李妙辉，丁伯江，孔二华，张磊，单家方，刘甫坤，王茂，徐显东(中国科学院等离子体物理研究所，合肥 20 3) 301

摘

要：介绍了波的射线轨迹程序 C P 3 O和求解三维 F k e.lnk方程程序 L K ok r ac P U E的基本计算过程及其物

理机制。该程序采用的是反弹平均方法，考虑了相对论效应和捕获粒子效应。利用此程序模拟并分析了 E S AT偏滤器位形下等离子体电流对低杂波传播以及驱动效率的影响。计算结果表明，着电流的增大，随低杂波射线轨迹在极向的旋转加快，功率沉积位置内移，驱动效率变大。此外，还发现当波束在上平面边界反射回来向等离子体中心传播时，平行折射率有较大的上移。考虑快电子的径向扩散后，驱动电流分布变宽。横越边界的损失以及一

部分快电子因扩散到碰撞增强的区域而迅速慢化导致驱动效率下降。当扩散系数为 1 m .时， . 2 5 S驱动电流的关键词：低杂波电流驱动；朗道阻尼；径向扩散；数值模拟中图分类号：05 2. 3+ 3 2文献标识码：Ar . 3x1 2/ 2 0。A.一 .[1=0 w m- 5。

模拟值和实验值基本吻合。

1引言 低杂波电流驱动(H D作为射频波电流驱动 LC )

这对高密度下利用低杂

波驱动电流是个巨大的鼓舞。 E T是世界上第一个全超导托卡马克，其典 AS

的一种，目前最有效的非感应电流驱动手段，是其主要目的是维持未来核聚变反应的稳态运行。通过低杂波电流驱动可以有效地控制电流分布，产生并维持内部输运垒 ( B等离子体【,抑制锯齿等 I ) T l】

型参数在§表 l 3中给出。L C H D作为 E S A T装置上最主要的加热和电流驱动系统，其天线采用多结波导阵列结构[, 6目前最大设计功率为 2】 MW,频率f 24 GHz=. 5。

MH D行为【。 2虽然一开始在 IE】 T R加热和电流系统中没有考虑低杂波

,但是后来欧盟处理了一些低杂波的关键问题，使得 L C H D重新加入 IE T R装置。 IE T R低杂波系统设计功率为 2MW, 0频率为 5 H, G z

2 CP L 3 O/ UKE程序C P/U E程序是从法国原子能委员会(E ) 3 OL K C A引进的，我们将程序包成功移植，验证了程序的可靠性。射线追踪程序 C P 3 O可以模拟 E S A T任意轴对称磁面位形(单零、双零、圆)以及不同垂直位下移的低杂波(H、电子回旋波(C以及电子波 L W) E W)恩斯坦波(B的传播， E W)考虑了弱相对论效应，采

天线采用一种有源一无源交错式多结波- P M)J￣( A p。 这种天线在法国 T r Spa oe u r装置上取得了令人欣慰 的成果：在天线与等离子体之间的距离高达 1c 0m的情况下，低杂波的反射系数仅为 2 4%【。同时在 J F U装置上( T低杂波频率为 8 H ) G z,在高密度(中心电子密度为 1 。 -和纵场且 7 T条件下低 . 3l m ) xO=. 2杂波同样取得了很好的驱动效果：. 1 MW的低杂波 8

用六阶龙格一库塔差分方法求解波迹方程。除了能计算波的传播轨迹外，C P程序还可以计算波能量 3O的线性吸收，得出波能量的沉积位置。求解三维

功率驱动了 0 MA的等离子体电流，驱动效率 . 5

收稿日期：2 l_ 2 2;修订日期：2 1_ 5 2 0 lo - 3 0 1o—6

基金项目：国家自然科学基金资助项 N( 854,1855) 1 7 19 0007;国家磁约束聚变科学项 I( 1G 150) 0￣ 2 0 B 004 10 作者简介：李妙辉( 8一，男，湖南新化县人，博士研究生，主要从事低杂波电流驱动实验和数值模拟研究。 1 4) 9