適用聚變堆的穩態高約束高頻小幅度邊界局域模運行方法與流程

本發明涉及磁約束聚變裝置運行方法領域，具體是一種適用聚變堆的穩態高約束高頻小幅度邊界局域模運行方法。

背景技術：

高約束運行模式（h模）是現今托卡馬克裝置主要的基礎運行模式。在h模約束下，在托卡馬克邊界形成密度和溫度陡峭分布的臺基區，即邊界輸運壘。一般來說，在進入h模之后，邊界輸運壘形成并不斷升高，邊界壓強梯度和自舉電流也不斷增加，當達到一定閾值后，邊界輸運壘崩塌，爆發邊界局域模。邊界局域模隨著邊界輸運壘的崩塌和建立周期性爆發。普遍認為邊界局域模是一種由臺基壓力梯度驅動的氣球模和邊界電流密度驅動的剝離模共同驅動的磁流體力學不穩定性現象。邊界局域模爆發，一方面有利于粒子和雜質的排出，另一方面大幅度邊界局域模所帶來的瞬態熱負荷會侵蝕偏濾器靶板，并產生大量雜質污染芯部等離子體，破壞等離子體的約束，使得核反應條件難以穩定維持。因此，在高的邊界輸運壘，好的等離子體約束的情況下，緩解或者抑制高的邊界輸運壘崩塌，即大幅度的第一類邊界局域模的爆發，維持等離子體的穩態運行，是世界磁約束聚變界面臨的一個重要難題。

通過獲得無邊界局域模或小邊界局域模的高約束運行模式可以避免大幅度邊界局域模所帶來的靶板熱負荷問題。目前世界各大裝置上已經獲得多種小邊界局域模或無邊界局域模的h模，如第三類邊界局域模，dα增強型h模，高再循環h模，i模等運行模式。然而這些運行模式只能部分地解決上述維持高約束高參數穩態運行同時避免大幅度邊界局域模爆發的難題。如第三類邊界局域模雖然其邊界局域模幅度較小，但其等離子體約束也相對較差。而無邊界局域模h模雖然其等離子體約束能力一般較好，但要么其雜質排除能力差，容易發生雜質聚芯問題，影響等離子體穩態運行，要么不容易在高參數條件下實現。

可見，實現穩態高約束高參數運行同時避免大幅度邊界局域模的爆發需要集成考慮。目前east裝置已經安裝了源功率高達12mw的離子回旋波、10mw的低雜波、8mw的中性束和0.5mw的電子回旋加熱系統。高的加熱功率使得east裝置具備并需要探索高約束高參數運行的區間。發展上述集成運行模式對于未來聚變堆以及east裝置在高參數運行條件下，保持等離子體的高約束，同時保持小的邊界局域模及到達偏濾器靶板的熱負荷，避免雜質聚芯的發生，維持等離子體的長脈沖穩態運行，乃至最終聚變能的實現都具有重要的意義。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種適用聚變堆的穩態高約束高頻小幅度邊界局域模運行方法，以同時滿足east托卡馬克裝置及未來聚變堆裝置高參數長脈沖運行的需要。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：

適用聚變堆的穩態高約束高頻小幅度邊界局域模運行方法，其特征在于：在安全因子q95大于6的高安全因子q95條件下，極向比壓大于1.6的高極向比壓條件下，三角度大于0.55的高三角度條件下使聚變堆運行在高約束運行模式，實現一種穩態完全非感應的芯部高約束兼邊界高頻小幅度邊界局域模的集成運行模式。

所述的適用聚變堆的穩態高約束高頻小幅度邊界局域模運行方法，其特征在于：能夠在低動量注入條件下和低臺基碰撞率情況下實現高約束運行模式。

所述的適用聚變堆的穩態高約束高頻小幅度邊界局域模運行方法，其特征在于：所述高約束運行模式對等離子體具有較高的約束能力，約束改善h98因子可達1.4。

所述的適用聚變堆的穩態高約束高頻小幅度邊界局域模運行方法，其特征在于：所述高約束運行模式具有高的等離子體儲能，高的自舉電流份額，低的破裂風險。

所述的適用聚變堆的穩態高約束高頻小幅度邊界局域模運行方法，其特征在于：所述高約束運行模式具有等離子體邊界高頻小幅度邊界局域模，所述邊界局域模的頻率超過1khz，偏濾器靶板熱流峰值遠小于第一類邊界局域模，接近于雜草型邊界局域模。

與已有技術相比，本發明的有益效果體現在：

本發明提出了一種新的托卡馬克運行模式概念設計方案，該設計運行在優化的高內感、高安全因子、高極向比壓和高三角度條件下，獲得高等離子體儲能，高約束改善因子和幅度很小、頻率超過1khz的接近于雜草型的邊界局域模。優化的高內感條件有助于獲得更好的等離子體芯部約束。高安全因子條件能夠顯著降低等離子體破裂的風險。高極向比壓條件能夠獲得較高的自舉電流份額，有利于等離子體的穩態運行。高極向比壓和高三角度條件有助于獲得高頻小幅度的邊界局域模。該設計所要求的運行模式，可重復性強，具有良好的魯棒性，可在低臺基碰撞率和低動量注入條件下實現，與未來聚變反應堆的運行區間相兼容。該運行模式伴有的高頻小幅度邊界局域模有助解決第一壁瞬態熱負荷問題，同時具有較強的粒子和雜質排除能力，避免等離子體芯部的雜質累積問題。

這種運行方法是兼具等離子體芯部的高約束和等離子體邊界高頻小幅度邊界局域模的集成運行模式，具有一個較寬的運行參數窗口，是比較理想的可能應用于反應堆級別的運行方法。

附圖說明

圖1為穩態高約束高頻小幅度邊界局域模運行方法的技術方案示意圖。

圖2為east裝置實際實驗的放電參數圖。

圖3為高頻小幅度的邊界局域模參數圖。

圖4為偏濾器靶板峰值熱負荷參數圖。

具體實施方式

如圖1所示，適用于未來聚變堆的穩態高約束高頻小幅度邊界局域模運行模式，運行在優化的高內感、高邊界安全因子、高極向比壓和高三角度條件下。優化的高內感條件有助于獲得更好的等離子體芯部約束。高邊界安全因子條件能夠有效降低等離子體破裂的風險。高極向比壓條件能夠獲得高的自舉電流份額。高極向比壓和高三角度條件有助于獲得高頻小幅度的邊界局域模。

如圖2所示，適用于未來聚變堆的穩態高約束高頻小幅度邊界局域模運行模式，在east裝置上的具體實施，運行在高三角度條件下，三角度大于0.55，最高達0.65。所述高約束運行模式運行在高極向比壓條件下，極向比壓大于1.6，最高已超過2。所述高約束運行模式運行在高邊界安全因子q95條件下，所述邊界安全因子q95大于6。所述高約束運行模式運行在優化的高等離子體內感條件下，內感為1.1附近。所述高約束運行模式對等離子體具有好的約束能力，約束改善因子h98達1.4。所述高約束運行模式具有高的等離子體儲能，最高儲能超過210kj。

如圖3、圖4所示，適用于未來聚變堆的穩態高約束高頻小幅度邊界局域模運行模式，具有等離子體邊界高頻小幅度邊界局域模，其頻率超過1khz，接近于雜草型邊界局域模，所造成的偏濾器靶板熱流峰值小于2mw/m²，這遠小于east裝置目前的第一類邊界局域模的8mw/m²左右的峰值熱負荷。

本發明所提出的穩態高約束高頻小邊界局域模運行模式，適用于未來聚變堆和east托卡馬克裝置，有助于解決等離子體的高約束與邊界局域模兼容的問題。同時，這種運行模式對等離子體具有好的約束能力，有效降低等離子體破裂風險，有利于等離子體穩態運行，且與未來聚變反應堆的運行區間相兼容，具有良好的魯棒性和可重復性，是比較理想的可應用于未來聚變堆的運行模式。