基于RMP穿透等离子体抑制逃逸电流的方法与流程

本发明属于磁约束核聚变等离子体破裂防护领域，具体涉及一种基于RMP穿透形成大磁岛，促进破裂时期大区域随机场的形成，加速逃逸电子损失，抑制逃逸电流形成的方法。

背景技术：

由于托卡马克等离子体破裂期间产生的高能逃逸电子会对装置壁造成严重的损坏，极大影响装置的安全运行，因此逃逸电子的抑制或缓解是目前等离子体破裂防护的研究热点之一。逃逸电子的产生机制主要可以分为三种，包括初级产生机制，热尾部机制和雪崩倍增产生机制。前两种机制主要产生的是少数的逃逸电子种子，这些种子逃逸电子在破裂期间会被雪崩倍增效应放大产生大量逃逸电子。这些逃逸电子被磁场约束住形成逃逸电流束。且由于等离子体破裂时感应的环向电场很强，逃逸电流束能够被加速到接近光速，具有极高的能量。因此破裂期间对逃逸电流的抑制显得十分重要。

针对破裂期间逃逸电流的抑制，大量气体注入(Massive Gas Injection，MGI)是目前研究最为广泛的破裂缓解方法，其通过向真空室内注入大量杂质气体，增加等离子体的碰撞阻尼力，减缓逃逸电子的加速过程。只是目前该方法能够实现的最高密度只有Rosenbluth密度的20％，离完全抑制逃逸电子雪崩增长还有一定的差距。且该方法还存在一定的弊端，比如大量杂质注入对真空室的损坏，以及大量杂质注入快速关断等离子体时感应出很高的环向电场，反而促进逃逸电流形成。现阶段的逃逸电流研究实验中，主动注入大量杂质触发破裂甚至成为了产生逃逸电流平台的有效方法。另外一种抑制逃逸电流的方法是通过RMP(全称为resonant magnetic perturbation，中文名称为共振磁扰动场)增加磁扰动，增强逃逸电子的径向输运。目前关于该种方法的实验主要集中在破裂时刻磁扰动大小对逃逸电子的损失影响。

此外，授权公告号为CN104637549B的中国发明专利“托卡马克等离子体破裂电磁能量导出的破裂缓解方法及装置”，该方法包括“步骤一：设置一组与等离子体耦合的能量转移线圈，尽可能靠近等离子体；步骤二：在真空室之外，设置能量吸收部件与快速开关，两者和能量转移线圈相互串联形成能量转移回路；步骤三：将开关触发控制端连接到托卡马克中央控制系统；在等离子体破裂未发生时，快速开关处于断开状态；在等离子体破裂瞬间，由托卡马克中央控制系统发出破裂动作信号触发快速开关导通，能量转移线圈耦合等离子体电磁能量，并导出真空室由能量吸收部件吸收”，但是在实施该发明的时候，存在在破裂瞬间并不能达到能量转移的目的，因等离子体破裂能力大，能力转移效果有限，在破裂瞬间已经对装置壁产生了损害，因而并不能保障托卡马克装置的安全。

鉴于托卡马克装置的大型结构，一旦等离子体破裂发生，其逃逸电流可高达数MA，会对装置的安全运行造成巨大威胁。而现有的破裂缓解手段，运用在大型托卡马克装置上的效果并不如预期理想。这就向本领域的研究人员提出了一个崭新的课题，如何在破裂前通过有效的方式，改变磁力线拓扑结构增强逃逸电子损失，阻止破裂期间逃逸电子加速到更高能量，缓解其对装置的损害。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题，对现有的破裂缓解方法进行进一步地改进，提供了一种基于RMP穿透等离子体抑制逃逸电流的方法，该方法通过外加RMP穿透托卡马克等离子体激发大磁岛，改变破裂前等离子体内磁场的拓扑结构，进而影响等离子体破裂期间磁力线结构，促进等离子体内大区域随机场的形成，加速逃逸电子的损失，抑制破裂期间逃逸电流的形成，从而缓解等离子体破裂期间的逃逸电流形成电流束对装置造成损害。

基于上述技术目的，本发明采取的技术方案是：

基于RMP穿透等离子体抑制逃逸电流的方法，包括：

在托卡马克装置上安装偶数个RMP线圈组，使其结构尽可能靠近等离子体，将RMP线圈组的开关触发端连接到托卡马克中央控制系统；所述RMP线圈组包括若干线圈；

调整RMP线圈组及所述RMP线圈组内线圈的通电方向，进而调整所述RMP线圈组产生的RMP模式；

当破裂预警系统监测到等离子体将发生破裂时，托卡马克中央控制系统控制开关触发端导通RMP线圈组，所述RMP线圈组产生的RMP在等离子体破裂前穿透所述等离子体，在等离子体内激发出磁岛促进破裂时期大区域随机场的形成，加速逃逸电子的损失，从而抑制逃逸电流的产生；当破裂预警系统监测到等离子体稳定运行时，托卡马克中央控制系统控制开关触发端不导通RMP线圈组。

进一步地，所述的RMP为静态RMP或动态RMP；所述的RMP线圈组通交流电源时产生动态RMP，通直流电源时产生静态RMP。

进一步地，所述的RMP至少在等离子体破裂前25ms穿透等离子体。

进一步地，所述RMP线圈组由三个线圈串联组成，所述线圈分别安装在同一环向位置的真空室上部、真空室中部和真空室下部，所述RMP线圈组为4组。

进一步地，所述的RMP线圈组安装在真空室外部或真空室内部。

更进一步地，调整RMP线圈组及所述RMP线圈组内线圈的通电方向，进而调整所述RMP线圈组产生的RMP模式的步骤具体是指：调整所述RMP线圈组设置RMP的环向模数，调整所述线圈的通电方向设置RMP的极向模数，所述极向模数和环向模数分别反映所述RMP在极向和环向分布的螺旋程度，不同极向模数和环向模数对应的RMP模式表达为m/n模式RMP，m表示极向模数，n表示环向模数。

进一步地，调整每间隔一组RMP线圈组的两个RMP线圈组之间的圆心角为180°，进而使所述环向模数n为1或3。

更进一步地，调整真空室上部的所述线圈及真空室下部的所述线圈的通电方向相同，使所述极向模数m为2。

更进一步地，调整真空室上部的所述线圈及真空室下部的所述线圈的通电方向相反，使所述极向模数m为1或3。

更进一步地，在调整RMP线圈组及所述RMP线圈组内线圈的通电方向，进而调整所述RMP线圈组产生的RMP模式的步骤中，还包括根据公式计算不同模式下的RMP强度的子步骤，其中，表示某一相位上的RMP强度，r为等离子体的截面半径，θ为等离子体截面上某一点的角度，为俯视托卡马克时水平圆面上某一点的角度，由欧拉公式计算得出。

本发明的工作原理是：在等离子体破裂前导通RMP线圈组，产生的RMP穿透托卡马克等离子体激发磁岛，随着时间的增长，RMP的不断叠加，磁岛逐渐增大，使得等离子体内原有的磁面结构被破坏，最终形成的大磁岛促进了等离子体破裂期间磁力线的随机化过程，形成了大区域随机场，使得逃逸电子损失加速，从而抑制破裂期间逃逸电流形成，避免高能逃逸电子束轰击装置壁。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的方法是利用现有的线圈安装在托卡马克装置上形成RMP线圈组，在等离子体破裂前导通RMP线圈组，产生的RMP穿透等离子体形成大磁岛，在等离子体破裂期间形成大区域随机场，从而抑制逃逸电流，避免逃逸电流形成高能电子束轰击真空室壁，该方法操作简单、原理可靠，可以有效避免MGI方法的缺陷，同时也可以与MGI协同合作，更好地缓解等离子体破裂期间巨大能量造成的危害，保障破裂过程托卡马克装置的安全。

附图说明

本发明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，在附图中：

图1为本发明所述方法的工作流程示意图；

图2为RMP线圈组与托卡马克装置的安装示意图；

图3是以2/1模式RMP为主导的扰动场强度的柱形图；

图4是未采取RMP穿透等离子体抑制逃逸电流时破裂前后逃逸电流波形示意图；

图5是采取RMP穿透等离子体抑制逃逸电流时破裂前后逃逸电流波形示意图；

图6是RMP穿透时刻相对等离子体破裂时刻提前时间对逃逸电流影响的示意图；

图7是RMP强度计算坐标示意图；

图8是1/1模式RMP或3/1模式RMP的线圈通电方向示意图；

图9是2/1模式RMP的线圈通电方向示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

请参照图1至图9，本实施例主要提供了一种基于RMP穿透等离子体抑制逃逸电流的方法，具体包括以下步骤：

步骤101、在托卡马克装置上安装偶数个RMP线圈组，使其结构尽可能靠近等离子体，将RMP线圈组的开关触发端连接到托卡马克中央控制系统；该RMP线圈组包括若干线圈；具体而言，该托卡马克中央控制系统为托卡马克装置本身具有的中央控制系统。其中，RMP线圈组可以安装在真空室外部也可以安装在真空室内部，本实施方式中，RMP线圈组安装在真空室内部，RMP线圈组具体为4组；安装示意图如图2所示，图2中，1a表示第一RMP线圈组，1b表示第二RMP线圈组，1c表示第三RMP线圈组，1d表示第四RMP线圈组，2表示真空室壁，虚线合围的部分3表示等离子体。

具体而言，本步骤中，RMP线圈组由三个串联的线圈组成，三个线圈分别安装在同一环向位置的真空室上部(线圈1a-1)、真空室中部(线圈1a-2)和真空室下部(线圈1a-3)；开关可以是电力电子开关，该开关安装在真空室外部，开关的触发端连接至托卡马克中央控制系统，为满足快速导通RMP线圈组，使RMP快速穿透等离子体的效果，该电力电子开关选用动作时间在毫秒量级的电力电子开关。

步骤102、调整RMP线圈组及所述RMP线圈组内线圈的通电方向，进而调整所述RMP线圈组产生的RMP模式。具体而言，调整所述RMP线圈组设置RMP的环向模数，调整所述线圈的通电方向设置极向模数，极向模数和环向模数分别反映所述RMP在极向和环向分布的螺旋程度，不同极向模数和环向模数对应的RMP模式表达为m/n模式RMP，m表示极向模数，n表示环向模数。

步骤102-1、按照公式计算不同模式下的RMP强度，该公式是计算磁场强度的傅里叶分解表达式，该公式中e^i(mθ+nφ)由欧拉公式e^ix＝cosx+isinx计算得出，即e^i(mθ+nφ)＝cos(mθ+nφ)+isin(mθ+nφ)。如图7所示，XYZ是笛卡尔坐标系，大环表示俯视托卡马克时的水平圆面，小环表示真空室内等离子体的截面；表示某一相位上的RMP强度，r为等离子体的截面半径，代表的方向为径向；θ为等离子体截面上某一点的角度，θ在小环方向上沿逆时针方向为正向，为笛卡尔坐标系即俯视托卡马克时水平圆面上某一点的角度，其中沿水平圆面的逆时针方向为的正向。具体而言，本步骤可以通过计算RMP强度验证不同RMP模式下某一相位RMP强度的不同。

步骤103、当破裂预警系统监测到等离子体将发生破裂时，托卡马克中央控制系统控制开关触发端导通RMP线圈组，RMP在等离子体裂前穿透等离子体，在等离子体内激发出磁岛促进破裂时期大区域随机场的形成，加速逃逸电子的损失，从而抑制逃逸电流的产生；当破裂预警系统监测到等离子体稳定运行时，托卡马克中央控制系统控制开关触发端不导通RMP线圈组。在实际运用中，静态RMP在等离子体破裂前穿透等离子体，会在相应的共振有理面激发出磁岛，使得等离子体内原有的磁面结构被破坏，呈现“混乱”状态，磁岛越大等离子体破裂时期的随机场区域越大，等离子体逃逸电子的损失越快，抑制逃逸电流的效果越好。本实施方式中的RMP可以选用静态RMP，通直流电源时产生该静态RMP，选用的静态RMP是环向模数n＝1、极向模数m＝1或2或3的RMP，分别表示为2/1模式RMP、3/1模式RMP、1/1模式RMP，不同模式下RMP的螺旋程度是不一样的，不同模式对应的RMP线圈组的调整方式和线圈的通电方式如下：

在2/1模式RMP下：调整间隔一组RMP线圈组的两个RMP线圈组之间的圆心角为180°，进而使所述环向模数n为1或3，具体而言，使RMP线圈组1a与RMP线圈组1c之间的圆心角为180°，RMP线圈组1b与RMP线圈组1d之间的圆心角为180°，这样可以消除n为偶数的分量，保留n为奇数的分量，即n＝1或3；RMP线圈组1a与RMP线圈组1b之间的圆心角为90°，RMP线圈组1b与RMP线圈组1c之间的圆心角为90°，RMP线圈组1c与RMP线圈组1d之间的圆心角为90°时，RMP线圈组1a与RMP线圈组1d之间的圆心角为90°时，在弱化n＝3分量的同时使得n＝1的幅值增强；RMP线圈组1a与RMP线圈组1b之间的圆心角为60°，RMP线圈组1b与RMP线圈组1d之间的圆心角为60°时，则可以得到只有n＝1的模式；如图9所示，在同一线圈组内真空室上部的线圈1a-1和真空室下部的线圈1a-3通电方向相同时，m为奇数的分量被抵消掉，只留下m为偶数的分量，即得到m＝2，图中，“+”表示正向通电，“-”表示反向通电，“0”表示短接。

在1/1模式RMP或3/1模式RMP下：如图8所示，调整RMP线圈组使n＝1的方式与上述2/1模式RMP相同；在同一线圈组内真空室上部的线圈1a-1和真空室下部的线圈1a-3通电方向相反时，m为偶数的分量被抵消掉，只留下m为奇数的分量，即得到m＝1或3。

以上的三种RMP模式中，2/1模式RMP时，RMP对离子体芯部的逃逸电流抑制作用更好，甚至能完全抑制逃逸电流，而1/1模式RMP或3/1模式RMP下对等离子体边界的逃逸电流抑制作用更好。2/1模式RMP下,根据公式计算出的RMP强度为12.5Gs，托卡马克等离子体密度为1×10¹⁹m^-3，磁场为1.8T，等离子体电流为160kA，满足等离子穿透条件，该2/1模式RMP穿透形成的大磁岛能使等离子体内产生最大区域化随机场，进而能全抑制逃逸电流的条件。

本实施方式中，静态RMP具体的穿透时刻，可以是电子回旋辐射信号振荡消失的时刻点，也可以是软X射线信号振荡消失时刻点，但是总体而言，都需要在等离子体破裂前穿透；因RMP穿透等离子体激发磁岛，该磁岛也会随着时间的增长而增大，为了达到大磁岛在等离子体内形成大区域随机场从而完全抑制逃逸电流的效果，RMP可以在等离子体破裂前25ms甚至是破裂前30ms穿透等离子体，也即在破裂预警系统监测到等离子体破裂前至少25ms，触发托卡马克中央控制系统导通开关进而导通RMP线圈组。需要指出的是，在一些实施方式中，也可以为RMP线圈组通交流电源，这样RMP线圈组产生的RMP为动态RMP。

图3是托卡马克装置上的RMP产生的以2/1模式为主导的静态扰动场强度的三维柱形示意图，其中m表示极向模数，n表示环向模数，灰色高柱表示在共振磁场扰动场线圈中每通过1kA电流时所产生的磁场强度。

图4是未采取RMP穿透等离子体抑制逃逸电流时破裂前后逃逸电流波形示意图，图中，A时刻破裂发生，等离子电流以极短的时间下降到B，然后形成稳定的逃逸电流平台BC，随着时间的演化最终逃逸电流撞击装置壁上后所有的逃逸电流下降为零，而此时已经对装置壁造成了损害。

图5是采取RMP穿透等离子体抑制逃逸电流时破裂前后逃逸电流波形示意图；图中2/1模式RMP在等离子体破裂前的A1时刻点穿透等离子体，该A1时刻点提前于等离子体破裂时刻A；随着RMP强度的叠加，磁岛增大，改变了破裂前以及破裂期间等离子体内磁力线结构，使得等离子体在A时刻破裂期间的随机场增强，加速了逃逸电子的损失，未形成逃逸电流平台，抑制了逃逸电流的形成，从而也不能轰击装置壁而造成损害。

图6是RMP穿透时刻相对等离子体破裂时刻提前时间对逃逸电流影响的示意图，图中，横坐标表示穿透时间，纵坐标表示逃逸电流与等离子体电流的比值，小三角形代表不同穿透时间下逃逸电流强度；时间点0时刻代表等离子体破裂时间，时间点为负值代表穿透事件发生提前的时间，可见穿透事件提前破裂时刻25ms甚至更久发生时，抑制逃逸电流的效果更好,甚至能完全抑制逃逸电流。

本实施例叙述的较为具体和详细，也给出了实施例的一些优选措施，但是，该实施例和优选措施并不能作为对本发明的限制，本领域的技术人员看到该方案时，做出的其他变形和等同手段的替换，均应在本发明的保护范围之内。