托卡馬克中低雜波電流驅動下高能電子行為分析

竹錦霞

(四川文理學院智能制造學院，四川達州635000)

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托卡馬克中低雜波電流驅動下高能電子行為分析

竹錦霞

(四川文理學院智能制造學院，四川達州635000)

在低雜波電流驅動下，快電子和逃逸電子構成了非麥克斯韋電子分布的高能尾部.高能快電子由于低的碰撞頻率可以有效的攜帶電流來實現(xiàn)非感應電流驅動.但是在一定條件下，快電子可以轉化為高能逃逸電子，這將對裝置第一壁材料造成損傷.利用快電子軔致輻射測量以及逃逸電子診斷系統(tǒng)研究了低雜波電流驅動下快電子分布和逃逸電子的產生，并分析了快電子轉化為逃逸電子的現(xiàn)象.

低雜波電流驅動；高能電子；轉化

0　引言

在環(huán)形電場的作用下，當部分快電子受到的碰撞阻尼力小于電場力時會不斷的被加速到高能區(qū)，它將和本底等離子體解耦，自身處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài).逃逸電子能量很高(可達數(shù)MeV)，若高通量的逃逸電子釋放能量到裝置第一壁時，它會嚴重損壞該處壁材料.低雜波驅動下的快電子能量可接近于逃逸能量閾值，在一定的條件下通過準線性擴散可以增加電子在速度空間的擴散，并越過逃逸的速度閾值，從而增強逃逸.[3]為了下一代裝置的穩(wěn)態(tài)運行，理論和實驗上都需要研究托卡馬克中高能電子的產生，約束以及損失行為，并探索有效的抑制逃逸電子的手段.在國內外的托卡馬克裝置上，如TEXTOR，DIII-D, EAST, HL-2A在實驗方面對逃逸電子進行了大量研究.[4-6]

本文利用快電子軔致輻射測量系統(tǒng)以及逃逸電子診斷系統(tǒng)，研究了低雜波電流驅動下快電子分布和逃逸電子的產生，并分析了快電子到逃逸電子之間的轉化現(xiàn)象.

1　快電子分布以及逃逸電子產生機制

在托卡馬克等離子體放電過程中，不僅低密度的歐姆放電下有快電子存在，特別是LHCD過程中，會產生大量的快電子.準線性?？?普朗克方程以及三溫分布模型是描述快電子分布函數(shù)的兩個主要模型.[7]圖(1)為根據?？?普朗克方程計算的LHCD電子平行速度分布函數(shù).圖中速度分布函數(shù)中出現(xiàn)了速度平臺，這是LHCD的結果.

圖1根據福克-普朗克方程計算的LHCD的電子平行速度分布函數(shù)[7]

逃逸電子的產生機制主要有：初級產生機制，次級產生機制和hot-tail產生機制.[8]初級產生是當電場力大于碰撞阻尼力而產生的逃逸，也稱為Dreicer產生機制.次級產生過程稱為雪崩過程，它是已經存在的逃逸電子和本底電子發(fā)生近距離的庫侖碰撞，使其獲得高于逃逸閾值的能量，而成為逃逸電子.已經存在的逃逸電子會以“逃逸種子”的方式，呈現(xiàn)指數(shù)的雪崩增長.hot-tail產生機制是指在等離子體破裂時，通過向內部注入彈丸或稀有氣體的方法來緩解破裂對裝置的危害.它僅能冷卻電子分布函數(shù)中的低能部分，但高能部分的電子來不及被其他粒子的碰撞來冷卻，在環(huán)形電場不斷增加下，臨界逃逸閾值能量降低，高能尾部電子就會轉化為逃逸電子.

2　實驗現(xiàn)象

低雜波通過平行朗道阻尼將熱電子加速到共振能量，產生的高能快電子由于碰撞頻率低，速度高，可以有效攜帶非感應電流.裝置中的快電子與本底等離子體相互作用產生軔致輻射，輻射出的 X 射線能量范圍在 10-200keV.通過快電子軔致輻射測量系統(tǒng)(FEB)可以得到LHCD條件下等離子體中快電子的相關信息.逃逸電子轟擊裝置第一壁時產生高能硬X射線，它的能量可高達幾十MeV, 通過該陣列能有效的監(jiān)測逃逸電子.另外，電子回旋輻射診斷(ECE)為LHCD實驗以及低能逃逸電子提供了輔助測量手段.

圖2　低雜波電流驅動的放電波形

(a)等離子體電流，(b)等離子體表面環(huán)電壓，(c)中心弦平均電子密度， (d) ECE 輻射強度，(e)高能硬 X 射線輻射強度.

圖2是一炮典型的LHCD放電，相關參數(shù)為：等離子體電流Ip = 160 kA，中心弦平均電子密度 ne= 1×1019m-3，等離子體表面環(huán)電壓為 1V，200kW功率的低雜波投入時間為400-520 ms.在低雜波投入前的歐姆放電階段，ECE輻射強度和高能硬X射線都為零.從圖2(d,e) 可看出：在LHCD期間ECE輻射強度增加，說明LHCD過程中有低能的逃逸電子產生.在低雜波關斷后，雖然ECE輻射強度信號很快衰減為零，然而高能硬X射線逐漸增強.高能硬X射線的增強說明在波關斷后高能逃逸電子已經增強了.

圖3低雜波電流驅動期間不同能量段FEB隨時間的演化

圖 3 表示的是低雜波電流驅動期間不同能量段FEB隨時間的演化(10-150keV).從圖3可看到：在低雜波投入前沒明顯的FEB輻射.LHCD期間FEB輻射強度相當明顯，特別是30-90 keV能段范圍尤為顯著，這說明在此期間有大量的快電子產生，并且快電子尾部達到了約90keV以上的能量值.在低雜波關斷后FEB輻射強度逐漸減小到零.

圖4　LHCD下逃逸能量閾值隨時間變化關系

3　結論

LHCD實驗是托卡馬克非感應電流驅動的重要手段，也是調節(jié)電流密度剖面，實現(xiàn)先進位形和實現(xiàn)長脈沖穩(wěn)態(tài)運行的重要工具.由于準線性擴散會增強共振電子在速度空間的擴散部分快電子跨過逃逸的速度閾值，從而進入逃逸區(qū).本文通過快電子軔致輻射以及逃逸電子診斷系統(tǒng)研究了低雜波電流驅動下快電子分布和逃逸電子的產生.實驗結果表明：在LHCD實驗中產生的快電子能量高于逃逸能量閾值的條件下，在等離子體環(huán)電壓加速后，快電子將轉化為高能逃逸電子.

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[8] Smith H M,Verwichte E.Hottailrunawayelectrongenerationintokamakdisruptions[J]. Physics of Plasmas (1994-present), 2008(7): 2502.

[責任編輯范藻]

Behavioure of High Energy Electrons on Tokamak with Low Hybrid Current Drive

ZHU Jinxia

(Intelligent Manufacturing School of Sichuan University of Arts and Sciences, Dazhou Sichuan 635000,China)

Fast electrons and runaway electrons constitute the high-energy tail of electron maxwell distribution during low hybrid current drive. High energy fast electron can effectively carry current driving to achieve no-induced current drive due to low collision frequency. But under certain conditions, fast electron can turn into runaway electron. It will do damage to the device first wall material. This paper studies fast electron distribution and the runaway electrons generation by means of fast electron bremsstrahlung array and runaway electron diagnose. The conversion phenomenon from fast electron to runaway electron can be analyzed.

low hybrid current drive; high energy electron; conversion

2016-01-17

四川省教育廳科研重點項目(15ZA0321)；四川文理學院校級科研項目(2014Z002Z)

竹錦霞(1976—)，女，四川雅安人.副教授，碩士，主要從事托卡馬克高能電子的實驗研究.

O461.25

A

1674-5248(2016)05-0030-03