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Current ramp-up by LHCD alone and AC operation in HT-7

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。

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Current ramp-up by LHCD alone and AC operation in HT-7

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  1. 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

  2. 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。

  3. Ramp-up 实验原理 驱升阶段电流随时间的变化： 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。

  4. 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 AC运行模式原理 Tr Tg JMax J0

  5. AC运行模式 在JRF 》J0条件下，一个周期内的平均驱动效率为： τ∝Te3/2/Zi 高Z杂质务必会降低CD效率 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

  6. 条件：粒子约束时间远小于L/R（能及时改变等离子体参数）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Ⅰ Ti=Te～5keV, Ne～e19 Z～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)

  7. 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

  8. 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～ 3-4Tg HT-7参数估算

  9. 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 ) PLT 上电流驱升实验

  10. 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% Alcator C 上电流驱升实验 PLH Pext dw/dt

  11. 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。 Alcator C 上电流驱升实验

  12. 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) EAST实验结果(2010.05.28)

  13. 3.1s——3.4sPF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. EAST实验结果(2010.05.28)

  14. 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。

  15. OH assisted LH ramp-up in HT-7 • N//=2.9; ne_av= 1.5e19; Bt=2.1T • ΔI/Δt~100-130kA/s • PLH=120-500kW; • (ΔI/Δt)max~0.4MA/s with ne0= 1e19,PLH=300kW SHEK Wei-ci et al, Plasma Science & Technology,2003,5:1633

  16. ramp-up with different wave spectrum • Ioh=100kA; ne_av= 1.5e19; Bt=1.84T • ΔI/Δt~100kA/0.5s • PLH=210kW; N//=2.55;2.95,3.55 Different ramp-up rate at different spectrum due to the different current drive efficiency. B J Ding et al, Plasma Phys. Control. Fusion,2007, 49:563

  17. 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 实验平台及安排 (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。

  18. 谢谢各位！

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