等離子體破裂時逃逸電流的實驗研究

方 達，竹錦霞，2，孫偉民，段卓琦，朱 俊，陳忠勇

（1.云南師范大學物理與電子信息學院，昆明 650092；2.四川文理學院物理與工程技術系,四川 達州635000；3.華中科技大學電子與電氣工程學院，武漢 430074）

等離子體破裂時逃逸電流的實驗研究

方 達1，竹錦霞1，2，孫偉民1，段卓琦1，朱 俊1，陳忠勇3

（1.云南師范大學物理與電子信息學院，昆明 650092；2.四川文理學院物理與工程技術系,四川 達州635000；3.華中科技大學電子與電氣工程學院，武漢 430074）

等離子體破裂是影響托卡馬克裝置實現商業(yè)發(fā)電的一大難題。等離子體大破裂會導致等離子體在瞬間熄滅，同時會對裝置本身以及裝置的第一壁材料形成巨大損傷。等離子體破裂時會產生大量高能逃逸電子，從而把一部分等離子體電流轉化為逃逸電流。逃逸電流在一定的情況下會局域地沉積到裝置的第一壁上，從而影響壁材料的壽命和性能，觀察研究等離子體破裂下電流的熄滅特征以及逃逸電流的特征，探尋降低等離子體破裂危害的方法至關重要。

破裂；逃逸電子；逃逸電流

引言

托卡馬克(Tokamak)是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環(huán)性容器。它的名字 Tokamak 來源于環(huán)形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、線圈(kotushka)。最初是由位于蘇聯莫斯科的庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀50年代發(fā)明的。托卡馬克的中央是一個環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候托卡馬克的內部會產生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。托卡馬克放電實驗中會發(fā)生等離子體大破裂事件，即放電突然終止。等離子體大破裂是影響托卡馬克裝置實現商業(yè)發(fā)電的一大難題。等離子體破裂所造成的后果非常嚴重，對于聚變堆來說，這種后果將是災難性的，主要有：（1）、熱沉積（heat load）：等離子體破裂時，等離子體內存儲的熱能迅速釋放到真空室內限制器和偏濾器表面，將會造成室內器件材料消融[1]。（2）、“暈”電流（halo current）：等離子體發(fā)生垂直位移運動時（VDE），等離子體與容器接觸，導致部分等離子體電流通過器壁，這部分稱之為“暈”電流，垂直不穩(wěn)定性較容易導致快速破裂并伴隨大的“暈”電流，在各個大型裝置中，觀察到暈電流能達到等離子體電流的四分之一左右。極向“暈”電流與縱場之間形成交叉電磁力（J×B）作用于裝置上，“暈”電流對裝置產生的電磁負載進而引發(fā)的機械負載對裝置的對安全運行會造成極大的威脅[1]。（3）、逃逸電子（runaway electron ）：托卡馬克放電實驗中，等離子體中電子不僅受到環(huán)向電場的加速，電子運動過程中還與其他粒子碰撞而減速，碰撞產生的阻尼力與電子速度的大小的平方成反比。當電子的環(huán)向電場力與碰撞阻力平衡時，此時的電場即為閾值電場，電子速度大小為電子逃逸的臨界閾值[2]。當電子速度超過閾值速度時，將不斷從環(huán)向電場中獲得能量，從而轉化為逃逸電子[3]。逃逸電子目前的產生機制可分為三種，即初級產生機制、次級產生機制以及熱尾部產生機制。逃逸電子初級產生機制也稱之為狄拉克（Dreicer）產生機制，電子在運動過程中受到電場力平衡于碰撞阻尼力時，此時電子的速度稱之為電子逃逸的閾值速度。次級產生機制即雪崩過程，是指已經存在的逃逸電子與本地電子碰撞，使本地電子獲得超過閾值的速度進而成為逃逸電子，而碰撞后的逃逸電子雖然損失部分能量，但其仍是逃逸電子，整個過程就像雪崩一樣形成更多的逃逸電子。熱尾部機制是最近幾年觀察到的一種逃逸機制，在等離子體熄滅時期等離子體溫度急速下降而形成一個熱尾部，由于環(huán)電壓的升高而導致逃逸電子的產生。由于放電初始階段等離子體密度低，環(huán)電壓高，初級產生機制在初始階段占據主導地位，而在放電平頂階段，次級產生機制起到重要作用[4]。等離子體破裂期間主要通過初級產生機制和熱尾部產生機制產生一些逃逸電子種子分布，然后通過次級產生機制發(fā)生雪崩增強[5]。這些逃逸電子可以攜帶相當高份額的等離子體電流，從而對裝置的運行構成威脅。本文研究了等離子體大破裂的特征以及逃逸電流的特點。

1 等離子體破裂的過程

等離子體破裂主要原因有以下幾種：（1）、密度極限；等離子體破裂的最主要原因之一，等離子體邊緣輻射正比于n2，當密度上升，將加強邊緣的冷卻，等離子體電流橫截面萎縮和電流密度峰值從而導致等離子體破裂發(fā)生。（2）、低q極限；低q極限即電流極限破裂，在放電實驗中，在等離子體內q=2的分界面上，界面內等離子體電流分布平坦，與界面外較冷等離子體作用時，將導致電子溫度迅速衰減，隨之發(fā)生等離子體電流衰減而引起等離子體破裂。（3）、等離子體垂直位移運動（VDE）：等離子體垂直位移運動是引起等離子體破裂的主要原因，該破裂僅發(fā)生在拉長等離子體中，由于拉長等離子體存在垂直不穩(wěn)定性，等離子體參數（Ip、β、等離子體內感及拉長度等）快速變化引起垂直位置失控，從而與器壁接觸導致破裂。（3）、此外等離子體破裂原因還有β極限破裂、鎖模破裂等。

等離子體破裂一般可以分為3個階段，分別是先兆階段，熱熄滅階段和電流熄滅階段。

（1）、先兆階段：由于雜質進入等離子體或等離子體輻射功率加大引起電流的重新分布。

（2）、熱熄滅階段：MHD不穩(wěn)定性增長，導致能量損失，熱熄滅即等離子體內熱量迅速的釋放到真空室內裝置部件上[6]，首先是溫度剖面在小半徑四分之三處變的平滑，外部等離子體作為一個屏障阻止了電流重新分布擴張到等離子體外部，同時將極向磁通束縛于等離子體內部并阻止等離子體外部的電壓變化，隨后由于電子溫度下降，等離子體電阻突然增加，屏障被破壞，等離子體熱量迅速損失到真空室器壁[7]。

（3）、電流熄滅階段：在等離子體能量迅速損失到真空室后，電子溫度迅速降低，等離子體因冷卻而電阻增加，使得放電快速終止，電流熄滅階段會對真空室以及真空室內其他導電部件產生巨大的電磁負載使這些部件產生巨大的機械負載[8,9]。

2 實驗結果

在放電實驗中，由于很多不確定因素會導致等離子體大破裂。我們在本實驗中細致分析了等離子體破裂的時刻。由于等離子體內部不穩(wěn)定性增長，等離子體溫度降低，溫度剖面趨于平坦，導致電流重新分布，使得電流剖面同時趨于平坦，在等離子體內小半徑四分之三的位置產生屏蔽層阻止電流分布擴張到等離子體外部區(qū)域，后期屏蔽被破壞，束縛的極向磁通釋放，極向磁能變化，電流出現正脈沖信號，同時環(huán)電壓也會出現負脈沖信號[10]。我們以等離子體大破裂的時刻為零時刻。如圖1所示，等離子體破裂后，熱熄滅階段，等離子體快速冷卻，電阻增加 ，電子溫度降低，電流重新分布，出現電流正脈沖信號，進入電流熄滅階段，等離子體電流快速衰減，未形成逃逸電流平臺，等離子體電流在破裂后呈負指數衰減，到3ms時完全熄滅，電流熄滅階段維持了僅僅3ms左右的時間。

圖2中，等離子體電流Ip=135kA，破裂后出現電流正脈沖，同時進入電流熄滅階段，直到15ms等離子體電流完全熄滅，逃逸電子攜帶等離子體電流形成逃逸電流平臺，逃逸電流達到了破裂前等離子體電流的30%左右，從破裂開始直到電流完全熄滅，持續(xù)了近14ms，期間逃逸電子不斷受到電場加速，并且作為次級產生機制的種子不斷發(fā)生雪崩效應，當這些大量高能逃逸電子撞擊到裝置第一壁時，所帶來的危害相當巨大。研究表明，逃逸電子所攜帶的等離子體電流即逃逸電流的大小與等離子體電流熄滅率有關，破裂后等離子體電流衰減率越大，逃逸電子所攜帶的電流就越小，即逃逸電流就越小，等離子體電流熄滅率與托卡馬克真空腔設計有關，且瞬時最大電流熄滅率也決定了真空腔內部器件的設計。

4 結論

托卡馬克放電實驗中，大破裂事件是不可避免的偶然事件。破裂所帶來的一系列危害仍是需要解決的一大難題。等離子體破裂所帶來的熱沉積會導致內部器件熔化，真空室腔體受“暈”電流引起的巨大機械負載容易變形損壞，而破裂后產生的大量高能逃逸電子轟擊的裝置第一壁時，將會導致第一壁材料壽命減斷甚至直接損壞第一壁，破裂后由初級產生機制與熱尾部產生機制產生的逃逸電子未種子通過雪崩過程不斷產生更多的逃逸電子，大量高能逃逸電子攜帶的等離子體電流能達到破裂前等離子體電流的30%以上，巨大的逃逸電流對大裝置的安全運行有重大危害，將來要實現托卡馬克聚變堆的商業(yè)化，等離子體電流將達到10MA以上，這將會產生幾個MA的逃逸電流，直接影響聚變的商業(yè)利用。

[1] V Riccardo,et al., Disruptions and disruption mitigation[J].Plasma Phys.Control.Fusion,2003,(45):269284.

[2] B.Esposito,et al., Dynamics of high energy runaway electrons in the Frascati Tokamak Upgrade[J].Phys.Plasmas,2003,(10):2350.

[3] Zhongyong chen,et al.,Fluctuation of hard x-ray flux during soft x-ray sawteeth activities[J].云南師范大學學報,2010,(6).

[4] R.Jaspers, et al., Experimental investigation of runaway electron generation in Textor[J].Nucl.Fusion, 1993,(33):1775.

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[6] R.JASPERS,et al., Disruption generated runaway electrons in TEXTOR and ITER[J].Nucl.Fusion,1996,(36).

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[8] M.Lehnen,et al., Runaway generation during disruptions in JET and TEXTOR[J].Journal of Nuclear Materials,2009:390-391,740-746.

[9] G Pautasso,et al., Disruption studies in ASDEX Upgrade in view of ITER[J].Plasma Phys.Control.Fusion,2009,(51):124056.

[10] R.D.Gill,et al., Behaviour of disruption generated runaways in JET[J].Nucl.Fusion,2002,(42):1039-1044.

Study of R unaway Current during Plasma Disruption

FANG Da1,SUN Wei-min1,ZHU Jin-xia1,2,DUAN Zhuo-qi1,ZHU Jun1,CHEN Zhong-yong3
(1.Department of Physics,Yun nan Normal University,Kun ming 650092,China;2.School of Physics And Engineering, Sichuan University of Arts and Science,Dazhou,635000,China;3.Institute of Plasma Physics, College of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Plasma disrupt ion has a negative influence on the realization of the commercial power generation in TOKAMAK.Disrupt ion will lead the plasma to extinguish, and in the meanwhile, it may damage the first wall of the setups.Plasma disrupt ion can produce a mass of high energ y runaway electrons, which make a part of the plasma currents transform to runaway currents.In certain situations runaway current will be deposited to the first wall of the setups, which may affect the lifetime and properties of the materials.In the paper, the characteristics of the quenched current under disrupt ion and the runaway current are demonstrated.

disrupt ion;runaway electron;runaway current

O53

A

1008-9128（2012）02-0015-03

2011-12-20

方達（1985-）,男 , 漢, 云南大理人，碩士研究生。研究方向：等離子體破裂以及破裂后逃逸電子的實驗分析。

[責任編輯 張燦邦]