等离子体破裂时逃逸电流的实验研究

方 达，竹锦霞，2，孙伟民，段卓琦，朱 俊，陈忠勇

（1.云南师范大学物理与电子信息学院，昆明 650092；2.四川文理学院物理与工程技术系,四川 达州635000；3.华中科技大学电子与电气工程学院，武汉 430074）

等离子体破裂时逃逸电流的实验研究

方 达1，竹锦霞1，2，孙伟民1，段卓琦1，朱 俊1，陈忠勇3

（1.云南师范大学物理与电子信息学院，昆明 650092；2.四川文理学院物理与工程技术系,四川 达州635000；3.华中科技大学电子与电气工程学院，武汉 430074）

等离子体破裂是影响托卡马克装置实现商业发电的一大难题。等离子体大破裂会导致等离子体在瞬间熄灭，同时会对装置本身以及装置的第一壁材料形成巨大损伤。等离子体破裂时会产生大量高能逃逸电子，从而把一部分等离子体电流转化为逃逸电流。逃逸电流在一定的情况下会局域地沉积到装置的第一壁上，从而影响壁材料的寿命和性能，观察研究等离子体破裂下电流的熄灭特征以及逃逸电流的特征，探寻降低等离子体破裂危害的方法至关重要。

破裂；逃逸电子；逃逸电流

引言

托卡马克(Tokamak)是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字 Tokamak 来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。托卡马克放电实验中会发生等离子体大破裂事件，即放电突然终止。等离子体大破裂是影响托卡马克装置实现商业发电的一大难题。等离子体破裂所造成的后果非常严重，对于聚变堆来说，这种后果将是灾难性的，主要有：（1）、热沉积（heat load）：等离子体破裂时，等离子体内存储的热能迅速释放到真空室内限制器和偏滤器表面，将会造成室内器件材料消融[1]。（2）、“晕”电流（halo current）：等离子体发生垂直位移运动时（VDE），等离子体与容器接触，导致部分等离子体电流通过器壁，这部分称之为“晕”电流，垂直不稳定性较容易导致快速破裂并伴随大的“晕”电流，在各个大型装置中，观察到晕电流能达到等离子体电流的四分之一左右。极向“晕”电流与纵场之间形成交叉电磁力（J×B）作用于装置上，“晕”电流对装置产生的电磁负载进而引发的机械负载对装置的对安全运行会造成极大的威胁[1]。（3）、逃逸电子（runaway electron ）：托卡马克放电实验中，等离子体中电子不仅受到环向电场的加速，电子运动过程中还与其他粒子碰撞而减速，碰撞产生的阻尼力与电子速度的大小的平方成反比。当电子的环向电场力与碰撞阻力平衡时，此时的电场即为阈值电场，电子速度大小为电子逃逸的临界阈值[2]。当电子速度超过阈值速度时，将不断从环向电场中获得能量，从而转化为逃逸电子[3]。逃逸电子目前的产生机制可分为三种，即初级产生机制、次级产生机制以及热尾部产生机制。逃逸电子初级产生机制也称之为狄拉克（Dreicer）产生机制，电子在运动过程中受到电场力平衡于碰撞阻尼力时，此时电子的速度称之为电子逃逸的阈值速度。次级产生机制即雪崩过程，是指已经存在的逃逸电子与本地电子碰撞，使本地电子获得超过阈值的速度进而成为逃逸电子，而碰撞后的逃逸电子虽然损失部分能量，但其仍是逃逸电子，整个过程就像雪崩一样形成更多的逃逸电子。热尾部机制是最近几年观察到的一种逃逸机制，在等离子体熄灭时期等离子体温度急速下降而形成一个热尾部，由于环电压的升高而导致逃逸电子的产生。由于放电初始阶段等离子体密度低，环电压高，初级产生机制在初始阶段占据主导地位，而在放电平顶阶段，次级产生机制起到重要作用[4]。等离子体破裂期间主要通过初级产生机制和热尾部产生机制产生一些逃逸电子种子分布，然后通过次级产生机制发生雪崩增强[5]。这些逃逸电子可以携带相当高份额的等离子体电流，从而对装置的运行构成威胁。本文研究了等离子体大破裂的特征以及逃逸电流的特点。

1 等离子体破裂的过程

等离子体破裂主要原因有以下几种：（1）、密度极限；等离子体破裂的最主要原因之一，等离子体边缘辐射正比于n2，当密度上升，将加强边缘的冷却，等离子体电流横截面萎缩和电流密度峰值从而导致等离子体破裂发生。（2）、低q极限；低q极限即电流极限破裂，在放电实验中，在等离子体内q=2的分界面上，界面内等离子体电流分布平坦，与界面外较冷等离子体作用时，将导致电子温度迅速衰减，随之发生等离子体电流衰减而引起等离子体破裂。（3）、等离子体垂直位移运动（VDE）：等离子体垂直位移运动是引起等离子体破裂的主要原因，该破裂仅发生在拉长等离子体中，由于拉长等离子体存在垂直不稳定性，等离子体参数（Ip、β、等离子体内感及拉长度等）快速变化引起垂直位置失控，从而与器壁接触导致破裂。（3）、此外等离子体破裂原因还有β极限破裂、锁模破裂等。

等离子体破裂一般可以分为3个阶段，分别是先兆阶段，热熄灭阶段和电流熄灭阶段。

（1）、先兆阶段：由于杂质进入等离子体或等离子体辐射功率加大引起电流的重新分布。

（2）、热熄灭阶段：MHD不稳定性增长，导致能量损失，热熄灭即等离子体内热量迅速的释放到真空室内装置部件上[6]，首先是温度剖面在小半径四分之三处变的平滑，外部等离子体作为一个屏障阻止了电流重新分布扩张到等离子体外部，同时将极向磁通束缚于等离子体内部并阻止等离子体外部的电压变化，随后由于电子温度下降，等离子体电阻突然增加，屏障被破坏，等离子体热量迅速损失到真空室器壁[7]。

（3）、电流熄灭阶段：在等离子体能量迅速损失到真空室后，电子温度迅速降低，等离子体因冷却而电阻增加，使得放电快速终止，电流熄灭阶段会对真空室以及真空室内其他导电部件产生巨大的电磁负载使这些部件产生巨大的机械负载[8,9]。

2 实验结果

在放电实验中，由于很多不确定因素会导致等离子体大破裂。我们在本实验中细致分析了等离子体破裂的时刻。由于等离子体内部不稳定性增长，等离子体温度降低，温度剖面趋于平坦，导致电流重新分布，使得电流剖面同时趋于平坦，在等离子体内小半径四分之三的位置产生屏蔽层阻止电流分布扩张到等离子体外部区域，后期屏蔽被破坏，束缚的极向磁通释放，极向磁能变化，电流出现正脉冲信号，同时环电压也会出现负脉冲信号[10]。我们以等离子体大破裂的时刻为零时刻。如图1所示，等离子体破裂后，热熄灭阶段，等离子体快速冷却，电阻增加 ，电子温度降低，电流重新分布，出现电流正脉冲信号，进入电流熄灭阶段，等离子体电流快速衰减，未形成逃逸电流平台，等离子体电流在破裂后呈负指数衰减，到3ms时完全熄灭，电流熄灭阶段维持了仅仅3ms左右的时间。

图2中，等离子体电流Ip=135kA，破裂后出现电流正脉冲，同时进入电流熄灭阶段，直到15ms等离子体电流完全熄灭，逃逸电子携带等离子体电流形成逃逸电流平台，逃逸电流达到了破裂前等离子体电流的30%左右，从破裂开始直到电流完全熄灭，持续了近14ms，期间逃逸电子不断受到电场加速，并且作为次级产生机制的种子不断发生雪崩效应，当这些大量高能逃逸电子撞击到装置第一壁时，所带来的危害相当巨大。研究表明，逃逸电子所携带的等离子体电流即逃逸电流的大小与等离子体电流熄灭率有关，破裂后等离子体电流衰减率越大，逃逸电子所携带的电流就越小，即逃逸电流就越小，等离子体电流熄灭率与托卡马克真空腔设计有关，且瞬时最大电流熄灭率也决定了真空腔内部器件的设计。

4 结论

托卡马克放电实验中，大破裂事件是不可避免的偶然事件。破裂所带来的一系列危害仍是需要解决的一大难题。等离子体破裂所带来的热沉积会导致内部器件熔化，真空室腔体受“晕”电流引起的巨大机械负载容易变形损坏，而破裂后产生的大量高能逃逸电子轰击的装置第一壁时，将会导致第一壁材料寿命减断甚至直接损坏第一壁，破裂后由初级产生机制与热尾部产生机制产生的逃逸电子未种子通过雪崩过程不断产生更多的逃逸电子，大量高能逃逸电子携带的等离子体电流能达到破裂前等离子体电流的30%以上，巨大的逃逸电流对大装置的安全运行有重大危害，将来要实现托卡马克聚变堆的商业化，等离子体电流将达到10MA以上，这将会产生几个MA的逃逸电流，直接影响聚变的商业利用。

[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].云南师范大学学报,2010,(6).

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

[5] V.V.Plyusnin,et al., Study of runaway electron generation during major disruptions in JET[J].Nucl.Fusion,2006,(46):277-284.

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

[7] J.A.Wesson,et al.,Negative voltage spike in TOKAMAK disruption[J].Nucl.Fusion,1990,(30):1011.

[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

方达（1985-）,男 , 汉, 云南大理人，硕士研究生。研究方向：等离子体破裂以及破裂后逃逸电子的实验分析。

[责任编辑 张灿邦]