current ramp-up by lhcd alone and ac operation in ht-7
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Current ramp-up by LHCD alone and AC operation in HT-7. 李妙辉，丁伯江， N J Fisch ，秦宏，孔二华，张磊，单家方，刘甫坤 2011.04.20. 实验目的. 由于 LHCD 存在密度极限或者说尚未解决，而其他 RF 波电流驱动效率太低，因此在 ITER 以及反应堆上 AC 运行是一种很好的运行模式。 由于 EAST 上平衡控制线圈和欧姆线圈耦合在一起，很难实现本实验的运行模式，在所长的建议下重新在 HT-7 上做一次。 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
HT-7HT-7
ASIPPASIPP
Current ramp-up by LHCD alone and AC operation in HT-7
李妙辉，丁伯江， N J Fisch ，秦宏，孔二华，张磊，单家方，刘甫坤
2011.04.20
HT-7HT-7
ASIPPASIPP实验目的
由于 LHCD 存在密度极限或者说尚未解决，而其他RF 波电流驱动效率太低，因此在 ITER 以及反应堆上AC 运行是一种很好的运行模式。
由于 EAST 上平衡控制线圈和欧姆线圈耦合在一起，很难实现本实验的运行模式，在所长的建议下重新在HT-7 上做一次。
以往 HT-7 的 ramp-up 实验都是在 OH 和 LH 的协同作用下开展的，很难分析 LH 的驱升能力，况且在稳态 AC 模式下也是没有 OH 贡献的。
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Ramp-up 实验原理
/0( ) ( )
t
L Rrf rfI t I I e I
t 为 LH 加入的时间，I0 为 LH 加入时的电流， Irf 为达到稳态时的电流。
驱升阶段电流随时间的变化：
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Tg Tr 电流驱升阶段 ( by LH) Tg 时间内电流： J0 → JMax PLH 转化为极向场能 低密度提高驱动效率，充高 Z
杂质提高驱升效率
电流弛豫阶段 Tr 时间内电流： JMax → J0 消耗极向场能量 低 Z 延长弛豫时间，高密度高
温度发生有效核反应 注： τ ～ L/R 与密度无关
J0
AC 运行模式原理
JMax
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0
0
g r
g
T T
TLH
LH
JdtJ
PP dt
在 JRF 》 J0 条件下，一个周期内的平均驱动效率为：
g
r
Z=
Zr
g
τ∝ Te3/2/Zi
AC 运行模式
高 Z 杂质务必会降低 CD 效率
g1
g r
6=
(5+Z )ZZLH LH
ZJ J
P P （ ）
1
6
5g ZLH LH g
J J
P P Z
（ ） （ ）
rg
LH g
J
P
（ ）
通过改变两阶段的特征时间可以提高
因此理论上当 Zr=1, 最大可以提高 6 倍的 CD 效率
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条件：粒子约束时间远小于 L/R （能及时改变等离子体参数）
τP ～ s 量级， L/R ～ 103s 量级（ for ITER)
ITER AC 运行模式
模式ⅠTi=Te ～ 5keV,Ne ～ e19Z ～ several核反应主要在电流弛豫阶段
模式Ⅱ（热离子模式）低密度下 Ti ， Te 解耦Ti=30keV ， Te=15keV,利用 alpha 粒子与电子作用，更有效地驱动电流
N. J. Fisch, Transformer recharging with alpha channeling in tokamaks, J. Plasma Phys (2010)
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• τP ～ 10ms 量级
• EAST 上次实验在 ne=0.5 时（ Z 比较高）， L/R ～700ms ，根据 HT-7 参数计算得特征时间约为 EAST的一半 (L∝ Rp) ，即 350ms 量级。因此 Tg, Tr<350ms, 保证在时间尺度 Tg,Tr 内能有效的充入气体。
• 根据以往结果驱动效率为 η = 0.35 A•W-1•m-2 ，现有 LH 能力可以完全驱动 100-150KA
HT-7 参数估算
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• 驱升速率随 IRF 增加，但限 LH 系统能力，实验中应尽量降低 I0 ， I0 ～ 60-80kA
• 此外驱升速率随时间变得平缓，因此 Tg 应尽量小， Tg ～ 200ms
• 弛豫时间 τr 越大，电流衰减越慢，平均效率越高， Tr～ 3-4 Tg
HT-7 参数估算
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ASIPPASIPPPLT 上电流驱升实验
• Ip=200kA; ne~0.2e19;
N//0=1.5 ； R=1.32m,a=0.4m
• PLH=40kW, 全波驱动 180kA等离子体电流；
• ΔI/Δt~125kA/s;
• L/R~1/3s; （ R=9μΩ ）
• ηmax~20% (LH 功率为260kW, dW/dt=70kW, Pext=19kW, 所以Pel=51kW )
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ASIPPASIPPAlcator C 上电流驱升实验
• R=0.64m, a=0.16
• ne~1.6e19; Bt=8.2T
• ΔI/Δt~300kA/s
• PLH=260kW;dW/dt=60kW; Pext=25kW
• η~13%
PLH
dw/dtPext
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ASIPPASIPPAlcator C 上电流驱升实验
• 转换效率随 LH 功率和等离子体密度的变化： 1. 功率大于一定值后转换效率基本不变； 2. 随密度的升高而降低。
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ASIPPASIPPEAST 实验结果 (2010.05.28)
• 关断 OHM 场后电流驱升速率为～ 18kA/s• PLH~900kW;dW/dt~30kW; η~3%
• 等离子体环电感 L~6e-6H; Rsp~3.6μΩ （ Zeff~3)
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ASIPPASIPPEAST 实验结果 (2010.05.28)
3.1s——3.4s PF 线圈电流恒定，等离子体电流自由衰减， ΔI/Δt~ -144kA/s, 由此估算 L/R~700ms.
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实验结果（ 2010.10.20 ）PLH=800kW; VLOOP~0; ne=0.65
没有平稳驱升效果！
由于当时 LH 天线的位置
R=2.369m,限制器位置为R=2.340m
LH 耦合很差，等离子体向外移，耦合变好但杂质辐射太强且有 MHD 行
为。
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N//=2.9; ne_av= 1.5e19; Bt=2.1T
ΔI/Δt~100-130kA/sPLH=120-500kW;
(ΔI/Δt)max~0.4MA/s with ne0= 1e19,PLH=300kW
SHEK Wei-ci et al, Plasma Science & Technology,2003,5:1633
OH assisted LH ramp-up in HT-7
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Ioh=100kA; ne_av= 1.5e19; Bt=1.84T
ΔI/Δt~100kA/0.5s
PLH=210kW; N//=2.55;2.95,3.55
ramp-up with different wave spectrumramp-up with different wave spectrum
Different ramp-up rate at different spectrum due to the spectrum due to the different current drive efficiency.different current drive efficiency.
B J Ding et al, Plasma Phys. Control. Fusion,2007, 49:563
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ASIPPASIPP实验平台及安排
IOH=100kA; 纵场： Bt=2T; N// ～ 1.9-3.1
Plh:0.4, 0.5, 0.6,0.7MW 或者更高 ne:0.5 （更低） ; 1.0; 1.5 ( 另外充高 Z 杂质改变有效 Zeff) 所需诊断： RA,Te(r,t),Zeff,Wdia 及其他的常规诊断 为了使 ramp-up 实验顺利进行， LH 系统采取先开前级后加高压模
式(1) 涨功率达到过驱，然后关断 OH 和 LH ， seeing how long the current can “coast” ，即确定电流弛豫时间 τr ~
L/R.(2) 电流平稳后关断 OH 后（ 30-50ms ）加 LH ，实现电流 ramp-up ，通过充高 Z 杂质和改变相位角优化驱升速率。(3)AC 运行， ramp-up 阶段低密度充高 Z 杂质， ramp-down 阶段提升密度（一个周期或者两个周期）(4 ）热离子模式下 AC 运行， ICRF 加热少数粒子问题： 1. 关断 OH 场后能实现稳定的放电； 2. 加入 LH 后应确保密度不受影响（密度高时加入 LH 后变化不大，但密度小时加LH 有影响）； 3. 确保在时间尺度 τg 能有效的充入杂质和提高密度。
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谢谢各位！