董春凤，崔正英，杨青巍 ，季小全，周航宇，冯北滨，李伟，孙红娟，李永高

核工业西南物理研究院dongcf@swip.ac.cn

HL-2A欧姆和 ECRH条件下的能量约束数据库的建立及分析 第十三届全国等离子体科学技术会议 2007,8,20-22, 成都

核工业西南物理研究院

董春凤，等 . 第十三届全国等离子体科学技术会议 2007, 8, 20-22, 成都

引 言

托卡马克等离子体的能量约束一直是聚变研究的重要课题之一，因为要实现受控核聚变，必须使等离子体有足够的能量约束时间。为了研究等离子体的约束，人们试图通过研究等离子体能量约束时间与各种工程物理参数之间的关系来得到一些所谓的约束时间经验定标律。在各国研究人员的探索下，同时为了对 ITER的能量约束状态进行预测和评估，由来自全世界主要托卡马克装置的等离子体的约束数据共同组建了 ITER约束数据库。为此，在给 ITER约束数据库提供数据的同时，我们在 HL-2A上进行的同样的能量约束行为的研究也显得十分必要，它不仅可以使我们更清楚地认识到 HL-2A装置的等离子体约束状态，也有利于下一代托卡马克装置的建造和运行。

ITER 数 据 库 ITER 数据库的组成： L 模约束数据库、 H 模功率阈值数据库、 H 模约束数据库、 H 模台

基数据库、 ITB 数据库和分布数据库。 HL-2A 首批提供给 ITER 的数据主要按 L 模数据库形式准备的，所以在此我们主要介绍 ITER L 模数据库。 ITER L 模数据库创建于上世纪 80 年代，最初的数据来源于 DⅢ 、 ISX-B 、 DITE 、 ASDEX 、 TFR 、 PDX 和 PLT 等装置。之后又加入了 JT-60 、 TFTR 、 JET 、 DⅢ-D 、 JFT-2M和 T-10 等大的装置的数据，形成了第一代 L 模数据库。 90 年代， L 模数据库又加入了 C-Mod 、 PBX-M 、 JT-60(U) 、 TEXTOR 、 FTU 、 Tore Supra 等装置的数据。现在，新的装置和新的数据仍然在不断的加入进去。 ITER L 模数据最新版本是 ITERLDB3.2 ，有参数 146 个。这些参数包括了等离子体成分、加热方式及功率、等离子体的能量、位形、温度和装置情况等方面。 ITER L 模数据库建成后，通过对这些数据的统计分析，形成了两个著名的定标律— ITER89-P 和 ITERL-96P(th) 定标律。

5.05.02.01.05.03.05.185.089 )/(038.0 PMBnaRRI effTePPITER

E

73.02.003.04.064.006.083.196.096 )/(023.0 PMBnaRRI effTePP

E

Variable Units Number Range Mean Standard deviation R0 m 1312 0.67-3.18 2.24 0.72

a m 1312 0.31-1.22 0.74 0.33

R/a 1312 2.41-7.78 3.33 0.86

k 1312 0.95-2.08 1.27 0.28

Ip MA 1312 0.12-5.01 1.43 1.04

Bt T 1312 0.66-5.27 2.90 1.14

q95 1312 1.89-10.16 4.33 1.33

ne 1019m-3 1312 1.0-18.52 3.96 2.19

Meff AMU 1312 1.0-2.0 1.67 0.39

Poh MW 1312 0.06-4.31 0.79 0.68

Ptot MW 1312 0.31-21.96 5.75 4.70

(1)

(2)

各变量单位依次是 s、MA、m、 -、 -、 1019m-3 、 T、原子质量数单位和 MW。

Device Bt(T) ne(1019m-3) Ip(MA) qedge (neqedge)sat

Alcator C-Mod 3.5-5.5 4-27 0.35-1 4-10 40

ASDEX 1.6-2.2 1-6 0.3-0.45 2-3.4 10

FTU 2.5-7 2-27 0.27-1.2 2.7-6 40

JET 1.7-3.5 1-4 1-5 2-3.4 6

T-10 3 1.5-4 0.15-0.45 2.4-7 12

TEXTOR 2 1-5 0.2-0.5 2.7-6.5 12

Tore Supra 4 2-3 1.6 3.8 8

Device Bt(T)ne(1019m-

3) Ip(MA) qedge (neqedge)sat

Alcator C-Mod 5 0.5-1.1 0.35-0.6 4.7-10 40

ASDEX 2.2 2.5-3.5 0.4 2.8 10

FTU 6 4-20 0.7 4.3 40

JT-60 3.8-4.7 0.4-0.8 0.85-2.3 3-7 7

PDX 0.6-2.2 1.5-3.5 0.2-0.5 2-4 8

Tore Supra 4 3-4 1.6 3.8 7

ITER L 模数据主要数据的范围：在上世纪末，由 Kaye 等人共同整理出一个主要数据范围，分成氘欧姆放电、氢欧姆放电和 L 模放电三种情况。如下表：

表 1 氢欧姆放电数据

表 2 氘欧姆放电数据

表 3 L-Mode 放电数据

HL-2A 数据库的建立 HL-2A 首批提供给 ITER 的数据版本是 ITERLDB2.0 ，这版本数据文件要求的参数有 141 个。 HL-2A 根据自身的实际运行条件和其他因素，提供的参数包括一般性参数、等离子体成分、几何位形、装置情况、磁场、杂质、注入功率、温度、能量及能量约束时间等方面，共提供参数 80 个左右。 HL-2A 的主要数据范围： 100kA<Ip<300kA ， 1.45T<Bt<2.4T ， 0.33×1019m-3<ne<7×1019m-3 ，被包含在 ITER L 模数据库的数据范围内。其中电流值集中在三个部分， 100kA 、 260kA 和 300kA 附近；纵场集中在 1.5T 和 2.2-2.4T 附近。 HL-2A 上的放电模式，目前主要是欧姆放电和 L 模放电，其中辅助加热方式是电子回旋加热 (ECRH) 。 HL-2A 的数据库由两部分组成， 68 个欧姆时间点和 82 个 L-Mode 时间点。工作气体有氘和氢，放电位形有孔栏和偏滤器。

HL-2A 数据库中主要数据的由来 电子中心温度及其分布：由 ECE测得，并用过中心的一道汤姆逊散射测量结果进行绝对标定得到。将标定后的数据，用最小二乘拟合成 6次多项式得到电子温度分布。 电子温度的体平均：将上面得到的电子温度分布进行体积分，然后求平均既可。

VdvTeTe /)( (3)

电子线平均密度及其分布：由 8道 HCN干涉测量给出。 离子中心温度：由 NPA测量给出。 等离子体的几何尺寸：由 EFIT程序计算给出。 等离子体的反磁能量及能量约束时间等：由 HL-2A 的反磁测量计算给出。

HL-2A 数据库的数据形式

HL-2A SHOT5506

t (ms)

Wdi a(kJ )

Prad(kW)

NEL(1019/ m3)

Te(ECE-09)

Hal pha(a. u. )

Bt (T)

Vl oop(V)

I p(kA)

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

150

300

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

0 5 1015

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 18002.2

2.3

2.4

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

0.2

0.4

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

1000

2000

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

123

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

100

200

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 18000

30

60

SHOT = 5506, DATE = 20061120, LCUPDATE = 20070814MEFF = 2, Wallmat = CSS, Conditioning = Silicon, Phase = LTIME (s) RGEO (m) AMIN (m) BT (T) IP (A) VSURF (V)

Q95 BEPDIA NEL (m-3) NEV (m-3) NE0 (m-3) PRAD (W)

POHM (W) DWDIA(W) TEV (eV) TE0 (eV) TI0 (eV) WDIA (J)

WEKIN (J) TAUDIA (s)

7.100E-01 1.646E+00 3.725E-01 2.264E+00 3.035E+05 7.180E-01

3.084E+00 2.896E-01 5.292E+18 8.484E+04

2.179E+05 7.754E+04 4.850E+02 2.074E+04

3.494E-02

ITER L 模数据库要求的数据形式有两种，一种是 ASCII码的数据文件，另一重是每次放电的主要参数随时间变化的图形文件。 ASCII 数据文件：这种数据格式由表头和数据两部分组成。表头部分列出了该数据版本中所有的参量，数据部分是在与表头列出的参量相对应的位置，填上该次放电的具体数据。 图形文件：图形文件也分为两部分，分别是图形部分和数据部分。图形部分包括等离子体电流、环电压、环向磁场、Hα辐射、电子密度、电子温度、热辐射和反磁能量等参数随时间变化的曲线。如右图示。数据部分是将对应取数时刻的主要参数附于图后，以利于看图时了解该时刻相关参数的具体值。

氘欧姆放电分析

上图为氢欧姆放电下的能量约束时间与电子线平均密度的关系。

从图中，我们可以观察到，在 3×101

9/m3 之前，能量约束时间与电子线平均密度成线性增长关系，在 3×101

9/m3 之后，出现饱和状态。

HL-2A 数 据 分 析

左图为实验测量的能量约束时间与 ITER96-P 定标的预测值的比较。

从图中，我们可以看出，在 HL-2A上测得的能量约束时间与定标律计算的结果是很符合的。能量约束时间主要集中在 30ms 附近（ ECRH的注入功率可以达到 1.5MW）。

氢欧姆放电分析

L模数据分析

总 结1.到目前为止， HL-2A 完成了包含 68 个欧姆数据和 82 个 L 模数据的首个数据

库。所收集的数据的准确性也通过对比及其他方式得到认可。同时也进行了反磁能量与计算热能的比较，二者基本一致。

2. HL-2A 的纵场数据范围比较宽，变化范围是 1.45T<Bt<2.4T 。

3.对 Wth 进行了统计回归分析， Wth~PLTH0.4×NEL0.4×MEFF0.5×Ip1.3 。 Wth 与 MEFF 的定标关系与原 ASDEX 的分析的结果一致，但是与电流的定标关系，与原 ASDEX 的分析的结果不太一致，主要可能是因为电流的范围较窄，影响了电流项分析的结果。

4.下一步工作是继续开展对等离子体平衡方面的认证，通过 EFIT 程序，计算得到 WMHD 。

0 1 2 3 4 5 6 7 80

20

40

60

80

100

120

ne (1019m-3)

τE

(ms)

LIM

DIV

0 1 2 3 4 5 60

20

40

60

80

100

120

ne (1019m-3)

τE

(ms)

LIM

DIV

上图为氘欧姆放电下的能量约束时间与电子线平均密度的关系。

从图中，明显可以观察到 LOC 和 SOC 区域，在 2×1019/m3 之后，出现饱和状态。

0 20 40 60 80 1000

20

40

60

80

100

τ E-96p (ms)

τE -e

xper

imen

t (m

s)

B

1E-3 0.011E-3

0.01

A

B

HL-2A 数据与其他装置数据的比较

左图为 HL-2A 装置数据与其他装置数据的比较。

红色表示的是欧姆放电

蓝色表示的是 L 模放电

从图中可以看出，无论是欧姆还是 L 模数据，与定标律以及其他装置数据的变化趋势基本一致，说明 HL-2A 的测量数据是可信的。