一种抑制托卡马克2/1新经典撕裂模的方法、计算机可读存储介质和系统

技术领域

本发明涉及托卡马克装置放电下磁流体动力学不稳定性控制技术领域，特别涉及一种抑制托卡马克2/1新经典撕裂模的方法、计算机可读存储介质和系统。

背景技术

新经典撕裂模(NTMs，neo-classical tearing modes)是托卡马克磁约束实验装置上最为危险的一种磁流体动力学不稳定性，通常发生在托卡马克安全因子q为有理数的磁面(有理磁面，或有理面)上。产生在q＝m/n＝3/2(其中m为极向模数，n位环向模数)和q＝2/1有理面位置上的两种新经典撕裂模是最为危险的模式，分别称之为3/2模和2/1模。

目前，利用电子回旋波电流驱动(ECCD，Fisch-Boozer机制占优的电流驱动)技术，在抑制3/2模的实验中取得了相当好的效果，但对于2/1模，由于其更加靠近托卡马克等离子体的边沿，利用现有的电子回旋波电流驱动技术难以实现有效抑制。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种抑制托卡马克2/1新经典撕裂模的新方法。该方法将电子回旋波的功率沉积在托卡马克装置低场侧，利用Ohkawa机制占优电流驱动(OKCD)获得在2/1有理面上的局域非感应电流，用于抑制2/1NTM。对比将波功率沉积在高场侧利用ECCD产生2/1有理面上的电流，利用该方法更容易驱动局域非感应电流，取代2/1有理面上缺失的自举电流，从而成功、有效地抑制2/1NTM。

为实现上述目的，本发明所采用的抑制托卡马克2/1新经典撕裂模的方法，包括以下步骤：

S1、根据托卡马克装置的大环半径R

S2、根据射线追踪程序计算得到的EC波平行折射率N

若N

若N

S3、将计算得到的OKCD分布与根据该分布特征参数拟合的高斯分布进行比较以验证OKCD驱动电流分布是否近似于高斯分布，根据计算得到的特征参数进行高斯拟合的表达式如(1)式所示：

若射线追踪程序计算得到的OKCD驱动电流分布近似于高斯分布，则执行步骤S4，反之，则返回步骤S1；

S4、将步骤1中得到的OKCD驱动电流的各个特征参数代入修正的卢瑟福方程中计算OKCD对2/1模的抑制效果，确定有效抑制2/1模的EC波发射参数和所需的最小EC波功率；

修正的卢瑟福方程为：

上式中，r

S5、根据步骤S4中得到的有效抑制2/1模的EC波发射参数和所需的最小EC波功率，对应调整托卡马克装置的EC波发射参数和EC波功率值。

进一步地，在步骤S4中，平衡电流的线性致稳项r

F(x)＝1-2.92x+2.02x

其中，x＝x

自举电流缺失导致新经典撕裂模磁岛岛宽增长的扰动项r

其中，W

外部局域化驱动电流替代缺失自举电流的致稳项r

F

电子回旋波加热效应引起的致稳项r

F

g(w

其中，j

此外，在步骤S1中，使波功率沉积在低场侧，并且电子回旋波在速度空间中的扩散区域正好在靠近俘获/通行边界的下方，此时Ohkawa机制驱动的电流对总电流大小的贡献远大于Fish-Boozer机制，使得Ohkawa机制驱动的电流成为主导电流。

进一步地，在步骤S1中，在给定装置磁场位形和等离子体温度密度等剖面条件下，利用射线追踪程序确定电子绕装置几何中心处磁力线回旋角频率Ω

具体而言，步骤S1中，发射角包括环向发射角α和极向发射角β，2/1磁面附近有效OKCD的环向发射角范围为：|180°-α|＝15°～25°，极向发射角β通过EC波冷等离子体共振层位置、2/1磁面径向位置和EC波初始发射位置确定；在射线追踪程序中，环向发射角α为电子回旋波的波矢在中平面投影和托卡马克装置大半径矢量R之间的夹角，极向发射角β为托卡马克极向平面内波矢的投影与Z等于常数的平面之间的夹角。

在步骤S4中，EC波调制占空比D

于本发明一实施例中，步骤S1中，所述托卡马克装置为小环径比的中型托卡马克装置，其纵横比R

于本发明一实施例中，步骤S1中，电子回旋波Ohkawa机制占优驱动电流的频率lΩ

另外，本发明还涉及一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序运行时用于执行上述抑制托卡马克2/1新经典撕裂模的方法。

并且，本发明还涉及一种抑制托卡马克2/1新经典撕裂模的系统，其包括数据获取模块、数据分析模块和执行模块，所述数据分析模块与数据获取模块和执行模块通信；

所述数据获取模块用于获取托卡马克装置的大环半径R

本发明利用电子回旋波Ohkawa机制作为电流驱动的主导机制并充分抑制Fisch-Boozer机制产生的反向电流，可以驱动归一化半径大于0.5区域内的局域非感应电流，取代2/1有理磁面上缺失的自举电流，从而有效抑制2/1NTM。相比于以往利用电子回旋波电流驱动(ECCD，EC波Fisch-Boozer机制占优的电流驱动)抑制托卡马克新经典撕裂模的方案，该方法对于2/1模的抑制效果更佳，所需EC波的频率更小，并可以降低托卡马克装置放电时q

附图说明

图1为实施例中抑制托卡马克2/1新经典撕裂模的方法流程图；

图2为实施例中托卡马克装置的低场侧和2/1磁面的示意图；

图3为实施例中电子回旋波电流驱动的两种物理机制图；

图4为实施例中射线追踪程序中发射角的定义示意图；

图5为实施例中托卡马克的大半径和小半径的示意图；

图6为实施例中M

图7为实施例中105GHz OKCD抑制2/1新经典撕裂模的结果示意图；

图8为实施例中140GHz ECCD抑制2/1新经典撕裂模的结果示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员更好地理解本发明相对于现有技术的改进之处，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1示出了本实施例中抑制托卡马克2/1新经典撕裂模的流程。如图所示，具体包括以下步骤：

第一步，根据托卡马克装置的大环半径R

第二步，根据射线追踪程序计算得到的EC波平行折射率N

第三步，将计算得到的OKCD分布与根据该分布特征参数拟合的高斯分布进行比较以验证OKCD驱动电流分布是否近似于高斯分布，根据计算得到的特征参数进行高斯拟合的表达式如(1)式所示：

若射线追踪程序计算得到的OKCD驱动电流分布近似于高斯分布，则执行下一步骤，反之，则返回第一步。

第四步，将第一步中得到的OKCD驱动电流的各个特征参数代入修正的卢瑟福方程中计算OKCD对2/1模的抑制效果，确定有效抑制2/1模的EC波发射参数和所需的最小EC波功率，修正的卢瑟福方程为：

上式中，r

本领域技术人员应当明白，对于m＝2/n＝1新经典撕裂模，平衡电流的线性致稳项r

F(x)＝1-2.92x+2.02x

其中，x＝x

自举电流缺失导致新经典撕裂模磁岛岛宽增长的扰动项r

其中，W

外部局域化驱动电流替代缺失自举电流的致稳项r

F

电子回旋波加热效应引起的致稳项r

F

g(w

其中，j

最后，根据上面计算得到的有效抑制2/1新经典撕裂模的EC波发射参数和所需的最小EC波功率，对应调整托卡马克装置的EC波发射参数和EC波功率值。

下面以小环径比的中型托卡马克装置(例如HL-2M类托卡马克装置)为例验证图1所示方法的有效性，其中，本实施例中用于验证上述方法有效性的HL-2M类托卡马克装置的纵横比R

其中，在第一步中，恰当选择装置磁场的大小和电子回旋波的波参数：装置磁场B

此外，在第四步中，一般情况下，EC波调制占空比D

图7和图8分别示出了在小环径比托卡马克装置上105GHz OKCD和140GHz ECCD抑制m＝2/n＝1新经典撕裂模的结果，B

需要指出的是，本实施例中确定有效抑制2/1模的EC波发射参数和所需的最小EC波功率的过程也可以借助计算机来实现，例如根据实施例中确定有效抑制2/1模的EC波发射参数和所需的最小EC波功率的算法逻辑编写相应的计算机程序并将其封装在计算机可读存储介质中，这样一来，就可以通过运行该计算机程序来执行上述确定有效抑制2/1模的EC波发射参数和所需的最小EC波功率的过程。当然，也可以基于现有的计算机技术构建一个抑制托卡马克2/1模的系统，系统中应当包括数据获取模块、执行模块以及与前述二者通信的数据分析模块。数据分析模块通过数据获取模块(数据获取模块可以是数据输入设备)获取托卡马克装置的大环半径R

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。