[發明專利]一種用于EAST托卡馬克中三維全空間等離子體響應的模擬方法

有效

• 申請號: 202110032259.4
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112733363B
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發明（設計）人: 劉桐;王正洶;王豐
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/12;G06F111/10
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪

本發明公開了一種用于EAST托卡馬克中三維全空間等離子體響應的模擬方法。在數值模擬EAST托卡馬克裝置中的等離子體響應時，首先根據實驗需求選取不同頻率與幅值的單頻波來設計外加擾動電流場的波形，然后分別采用選取的單頻電流場波形作為驅動項求解包含外加驅動電流場的磁流體方程組，解得單頻磁響應信號在三維全空間的分布情況，最后將多組單頻磁響應信號疊加變換到時域空間便可得到任意時刻等離子體磁響應信號的三維全空間分布。本發明實現了模擬EAST托卡馬克放電實驗過程中任意時刻的等離子體相應的全空間分布，彌補了實驗測量無法得到全空間磁信號分布的不足，模擬結果準確且實用性強，是一種穩定高效的數值模擬方法。

技術領域

本發明涉及磁約束可控核聚變領域托卡馬克裝置的數值模擬，特別涉及一種用于EAST托卡馬克實驗放電過程中三維全空間等離子體響應的模擬方法。

背景技術

可控核聚變是永久性解決能源問題的終極方案。眾多可控核聚變的方案中最有希望率先實現的是磁約束法。托卡馬克作為磁約束聚變中最有前景的裝置受到了科研人員的青睞。位于安徽合肥的東方超環(EAST)托卡馬克是目前我國運行的全超導托卡馬克裝置。EAST裝置各項參數均處于國際前列。在進行托卡馬克放電實驗過程中，為了檢測等離子體狀態，需要通過外加擾動電流場的方式激發等離子體響應，通過分析等離子體響應來判斷等離子體狀態。

目前在EAST托卡馬克裝置上，通常采用低場側磁探針陣列對等離子體磁響應信號進行測量。然而，實驗上的測量手段只能獲得最外層磁擾動信號，等離子體芯部磁信號目前無法通過實驗手段獲得。為了獲得等離子體芯部三維全空間的磁響應分布情況，更加直觀的獲得等離子狀態信息，亟需一種結合實驗使用的模擬方法，本發明提出的方法正好可以滿足這種需求。該方法直接采用實驗上外部線圈中施加的電流信號作為輸入參數進行數值模擬，先在頻域空間求解線性方程組，再將頻域空間信息轉換到時域空間，計算效率高且數值誤差小，收斂性好，數值穩定性強，是一種精確高效的數值模擬方法。

發明內容

本發明的發明目的是實現了對EAST托卡馬克放電實驗中三維全空間等離子體磁響應信號的數值模擬，彌補了磁探針陣列只能測量有限位置處磁響應信號的不足。

本發明的技術方案：

一種用于EAST托卡馬克中三維全空間等離子體響應的模擬方法，直接采用EAST托卡馬克裝置外部線圈中施加的擾動電流信號作為輸入信息，求解單頻率的三維全空間等離子體磁響應信號，最后將頻域空間的磁信號變換到時域空間并疊加在一起，最終得到任意時刻的磁響應信號在三維全空間的分布。該方法計算效率高，數值結果精確，具體包括以下步驟：

步驟1：根據EAST托卡馬克的截面形狀，對實驗中的芯部高溫等離子體區域進行網格劃分，計算過程中涉及到的物理量通過由網格劃分得到的節點進行儲存。

步驟2：根據實驗需求設計外加擾動電流場δJ的波形，δJ通常由一組不同頻率和幅值的擾動電流疊加而成，即δJ＝δJ₁+δJ₂+…+δJ_n。

步驟3：采用EAST裝置上的診斷設備測量初始平衡信息(壓強P₀、磁場B₀、和電流J₀)并存儲在網格節點中。

步驟4：將步驟2中施加的外部擾動電流信號δJ₁存儲到外部線圈對應位置的網格節點中。

步驟5：求解包含外部驅動項的線性化的磁流體方程組并得到磁響應信號δB₁。

這里求解的方程組為：