1.School of Nuclear Science and Technology, University of South China, Hengyang 421001, China 2.Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China
Abstract:The Chinese fusion engineering testing reactor (CFETR), complementing the ITER facility, is aimed at building up the science and technology base for the prototype of fusion power plant (PFPP). Based on the dispersion relation of fast wave, the analysis of the plasma dispersion function $ Z(\xi )$ is performed and a numerical solution of $ Z(\xi )$ is obtained. As the consequence, the dependence of helicon wave damping factor G on the plasma parameters and that on the wave properties are both achieved. The results show that an off-axis power deposition of the wave along the device radius can be achieved under the condition of plasma discharge on CFETR tokamak. Moreover, by calculating the ratio of the electron Alfven damping in the ion cyclotron range of frequencies to the electron Landau damping, we find that the electron Alfven damping is dominant at lower wave frequencies. With the wave frequency increasing, the electron Alfven damping remains unchanged while the Landau damping increases rapidly. With the discharge parameters of CTETR hybrid mode, the electron Landau damping proves to be dominant. Moreover, the off-axis power deposition and current drive profiles are produced. It is shown that the helicon wave damping factor increases with wave frequency increasing and it is closely related to the parallel refractive index of the injected wave spectrum, the plasma density, and plasma temperature. Significant off-axis power deposition and current drive are shown in CTETR hybrid mode operation, and the current drive efficiency reaches 50 kA/MW for helicon wave with a frequency of 800 MHz. Numerical simulation performed on the GENRAY/CQL3d shows a good consistence with the experimental results. Keywords:helicon wave/ Chinese fusion engineering testing reactor/ plasma dispersion function/ electron landau damping
表1等离子体色散函数数值结果比较 Table1.Numerical results of plasma dispersion function.
图1给出了$\xi$从0变化到6.0时, 色散函数$Z(\xi )$实部与虚部值的变化曲线, 在图中${Z_{\rm{abs}}}$表示$Z(\xi )$模. 从图1中可知, 随着$\xi$增大, 虚部值从1.77快速下降, 然后在$\xi$ > 2.0时逐渐向0收敛. 物理上, 当等离子体电子对应的${\xi _{\rm{e}}}$值太大(${\xi _{\rm{e}}}$是波的相速度与电子热速度的比值), 则电子的朗道阻尼也非常弱, 计算获得的波功率沉积和驱动电流也相当少. 反之, 当${\xi _{\rm{e}}}$值较小, 则电子朗道阻尼太强, 波功率沉积在边缘等离子体中. 因此, 从聚变等离子体实验角度来看${\xi _{\rm{e}}}$约为2.0比较合适. 图 1 色散函数及其实部和虚部值随$\xi$变化 Figure1. The dependence of $Z(\xi )$ and its components on $\xi$.
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3.1.波参数的影响
天线发射电磁波的波频率和波平行折射率是波的重要参数, 也是托卡马克装置射频波电流驱动和加热研究的重要领域. 图2给出了CFETR等离子体放电参数下, 螺旋波波阻尼因子G随波频率f的变化曲线. 电子的阿尔芬阻尼因子和朗道阻尼因子分别用符号${G_{{\rm{Ae}}}}$和${G_{{\rm{Le}}}}$表示. 这里, 采用了CFETR装置中$r = 0.5 a$处典型的放电参数: 电子密度${n_{{\rm{e}}0}} = 1 \times {10^{20}}\;{{\rm{m}}^{{{ - 3}}}}$, 电子温度${T_{{\rm{e}}0}} = 20\;{\rm{ keV}}$, 纵向磁场B = 5.0 T, ${n_{/\! /}} = 2.0$. 考虑氘等离子放电, 可以算得此时离子回旋频率${f_{{\rm{ci}}}}{{\sim }}40\;{\rm{ MHz}}$. 由图2可知, 当波的频率较低时(f < 400 MHz), 电子的朗道阻尼很弱, 波阻尼主要是电子阿尔芬阻尼, 但是总的G值仍然比较小($ G \!\sim\! 1.0 $). 随着波频率的增加, 电子阿尔芬阻尼因子几乎保持不变(${G_{{\rm{Ae}}}} \!\sim\! 1.0$), 电子朗道阻尼快速增大, 在$f\;{{\sim }}\;{\rm{10}}{f_{{\rm{ci}}}}$时超过阿尔芬阻尼, 当$f\;{{\sim }}\;{\rm{20}}{f_{{\rm{ci}}}}$时, ${G_{{\rm{Le}}}}/{G_{{\rm{Ae}}}} \approx 10$, 波阻尼机制主要是电子朗道阻尼. 图 2 波阻尼因子G、电子阿尔芬阻尼因子GAe和朗道阻尼因子GLe与波频率的关系, $ {T_{\rm{e}}} = 20\;{\rm{ keV}}$, ne0 = 1 × 1020 m–3, B = 5 T, $ B = 5\;{\rm{T}}$, ${n_{/\!/}} = 2.0$ Figure2. The relationship of the wave damping factor on wave frequency. The parameters used here are ${T_{\rm{e}}} = 20\;{\rm{ keV}}$, ne0 = 1 × 1020 m–3, B = 5 T, ${n_{/\!/}} = 2.0$.
图3给出了波的平行折射率${n_{/\!/}}$对波阻尼因子G的影响. 考虑到工程上天线发射的波谱具有典型的高斯分布, 图中分别给出了波谱值${n_{/\!/}} = 2.0$(实线)和${n_{/\!/}} = 3.0$(虚线)时波阻尼因子随波频率的变化. 图3(a)等离子体密度${n_{{\rm{e}}0}} = 0.6 \times {10^{20}}\;{{\rm{m}}^{ - 3}}$, 图3(b)等离子体密度${n_{{\rm{e}}0}} = 1 \times {10^{20}}\;{{\rm{m}}^{ - 3}}$. 图中曲线${G_{{\rm{Ae}}}}$是电子阿尔芬阻尼因子, 从图中可知, ${G_{{\rm{Ae}}}}$值对${n_{/\!/}}$不敏感. 当波的频率较低($f\; < \;200\;{\rm{MHz}}$)时, 波阻尼因子非常小, 波与等离子体相互作用主要仍然是电子阿尔芬阻尼. 在较高的离子回旋频率下($f\;{{\sim }}\;{\rm{20}}{f_{{\rm{ci}}}}$), 电子朗道阻尼急速增加导致了总的波阻尼因子增大. 在相同的波频率参数下, 较小的${n_{/\!/}}$值对应较大的波阻尼, 随着波频率的增大, 增量$\Delta G$更大. 图 3 波折射率${n_{/\!/}}$和等离子体密度对波阻尼因子G的影响, 等离子体温度${T_{\rm{e}}} = 20\;{\rm{ keV}}$, 磁场$B = 5\;{\rm{ T}}$ Figure3. The effect of wave initial parallel refractive index ${n_{/\!/}}$ and plasma density on wave damping factor. The plasma temperature is ${T_{\rm{e}}} = 20\;{\rm{ keV}}$, magnetic filed $B = 5\;{\rm{ T}}$.
23.2.等离子体温度的影响 -->
3.2.等离子体温度的影响
图4给出了波频率$f = 800\;{\rm{MHz}}$时, 波阻尼因子G随等离子体温度的变化. 由ξe的定义${\xi _{\rm{e}}}={V_{\rm{p}}}/{V_{{\rm{te}}}} = c/{n_{/\!/}}{V_{{\rm{te}}}}$可知, 若ξe保持不变, 高的${T_{\rm{e}}}$($nk{T_{\rm{e}}} = 1/2 mv_{{\rm{te}}}^2$)则${n_{/\!/}}$较小. 对于CFETR装置, 当无量纲化参数${\zeta _{\rm{e}}} = {\rm{2}}.0$时, 如果${T_{\rm{e}}} = 10\; {\rm{keV}}$, 可以算得${n_{/\!/}} = 3.59$; 如果${T_{\rm{e}}} = 25\; {\rm{keV}}$, 则${n_{/\!/}} = 3.29$. 由图4可知, 此时, 随着等离子体温度升高, 波阻尼因子G逐渐变小. 另外, 从图4可知, 当温度较低时, G因子较大, 但是此时${\beta _{\rm{e}}}$很小, 导致了总的波阻尼系数$k_ \bot ^{\rm{I}}$仍然较小. 因此, 在高温燃烧等离子体状态, 螺旋波电子朗道阻尼仍然能够有效地加热和驱动等离子体电流. 值得一提的是, 此时, 螺旋波中离子的波阻尼系数远小于电子的波阻尼[4]. 图 4 螺旋波阻尼因子G随等离子体温度的变化, 波频率f = 800 MHz, 电子密度$ {n_{{\rm{e0}}}} = {\rm{1}} \times {\rm{1}}{0^{{\rm{2}}0}}\;{{\rm{m}}^{ - {\rm{3}}}}$, 磁场B = 5.0 T Figure4. The dependence of wave damping factor G on plasma temperature. The parameters used here are f = 800 MHz, ${n_{{\rm{e}}0}} = {\rm{1}} \times {\rm{1}}{0^{{\rm{2}}0}}\;{{\rm{m}}^{ - {\rm{3}}}}$, B = 5.0 T.
图5给出了螺旋波阻尼系数的相对值$k_{ \bot, l}^{\rm{e}}/{k_ \bot }$随波频率变化的关系. 由图5可知, 较高的波频率有助于获得更高的波阻尼系数. 基于GENRAY程序平台[19], 图6给出了CFETR混合运行模式[18](hybrid mode)下, 沿小半径方向波功率沉积剖面分布. 天线输入的总功率1 MW, 波功率沉积由(10)式给出. 中心等离子体密度和温度分别为${n_{{\rm{e}}0}} = {\rm{1}}.{\rm{3}} \times {\rm{1}}{0^{{\rm{2}}0}}\;{{\rm{m}}^{ - {\rm{3}}}}$, ${T_{{\rm{e}}0}} = {\rm{30\; keV}}$. 螺旋波频率$f= 800\;{\rm{MHz}}$, ${\zeta _{\rm{e}}} = {\rm{2}}.0$. 从图6可知, 在较宽的径向位置(0.3a—0.8a)内, 产生了显著的波功率沉积, 其沉积的中心位置$ r \!\sim\! 0.5a $, 另外, 在该径向范围内, 也将获得显著的波驱动电流, 如图7所示. 在图7中, GENRAY程序获得的总驱动电流为47.5 kA, 非线性计算程序CQL3D[20]获得的总驱动电流为49.3 kA, 两者符合较好. 在ITER装置中, 800 MHz的螺旋波驱动电流为88 kA/MW[1], 这是由于ITER装置中较低的磁场($B = 5\;{\rm{T}}$)导致了较高的等离子体${\beta _{\rm{e}}}$. 此外, 等离子体驱动电流剖面分布与螺旋波平行折射率${n_{/\!/}}$、等离子体参数及托卡马克装置的磁平衡位形等密切相关, 后续将利用Ray-tracing/CQL3D等模拟计算平台, 对CFETR装置中的螺旋波加热和电流驱动开展进一步的优化研究. 图 5 CFETR装置波阻尼率随等离子体温度的变化 Figure5. The relationship between the damping ratio and the wave frequency on CFETR.
图 6 CFETR混合运行模式下螺旋波波功率沉积密度剖面分布, 入射波功率$P=1\;{\rm{ MW}}$, 平行折射率${n_{/\!/}}=2.5$, 波频率$f=800\;{\rm{ MHz}}$ Figure6. The power deposition density profile of helicon wave under the CFETR hybrid mode, the power inject is$P=1\;{\rm{ MW}}$, parallel refractive index ${n_{/\!/}}=2.5$, the wave frequency is 800 MHz.
图 7 CFETR混合运行模式下螺旋波驱动电流密度剖面分布, 其他模拟参数与图6相同 Figure7. The current drive density profile of helicon wave under the CFETR hybrid mode. The parameters used are the same as in Fig. 6.