[论文解读] Confinement of passing and trapped runaway electrons in the simulation of an ITER current quench

K. Särkimäki, F.J. Artola+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2022

Magnetic confinement fusion research参考文献 40被引用 19

一句话总结

本研究利用 JOREK 代码的 3D MHD 模拟，研究了 ITER 在电流衰减阶段的 runaway 电子（RE）约束行为。通过在混沌磁场中追踪 RE 标记物，发现 8 ms 的混沌阶段期间，磁场诱导的输运足以使大多数穿行和束缚的 RE 失去约束，从而在磁面重新形成前有效抑制 RE 束流的形成。

ABSTRACT

Runaway electrons (REs) present a high-priority issue for ITER but little is known about the extent to which RE generation is affected by the stochastic field intrinsic to disrupting plasmas. RE generation can be modelled with reduced kinetic models and there has been recent progress in involving losses due to field stochasticity, either via a loss-time parameter or radial transport coefficients which can be estimated by tracing test electrons in 3D fields. We evaluate these terms in ITER using a recent JOREK 3D MHD simulation of plasma disruption to provide the stochastic magnetic fields where RE markers are traced with the built-in particle tracing module. While the MHD simulation modelled only the current quench phase, the case is MHD unstable and exhibits similar relaxation as would be expected during the thermal quench. Therefore, the RE simulations can be considered beginning right after the thermal quench but before the MHD relaxation is complete. The plasma is found to become fully stochastic for 8 ms and the resulting transport is sufficient to overcome RE avalanche before flux surfaces are reformed. We also study transport mechanisms for trapped REs and find those to be deconfined as well during this phase. While the results presented here are not sufficient to assess the magnitude of the formed RE beam, we show that significant RE losses could be expected to arise due to field stochasticity.

研究动机与目标

• 评估电流衰减阶段磁场所致混沌性对 ITER 中 runaway 电子（RE）约束的影响。
• 评估由于混沌输运导致的 RE 损失是否能够克服 RE 累积增长。
• 研究在混沌阶段穿行和束缚 RE 的输运机制。
• 在 JOREK 粒子追踪器中验证并实现碰撞和辐射反冲算子，以实现对 RE 动力学的更真实模拟。

提出的方法

• 使用 JOREK 的轨道跟随模块，基于磁心近似追踪相对论性 RE 标记物。
• 引入基于 Braams-Karney 理论的全相对论性 Fokker-Planck 碰撞算子，包含阻力、能量扩散和方位角散射。
• 应用辐射反冲力算子以模拟同步辐射损失，但其影响被发现可忽略不计。
• 使用 JOREK 对 ITER 电流衰减（案例 1）的 3D 磁场时间演化数据，该模拟包含 50 ms 的电流衰减和垂直位移。
• 通过径向扩散系数和损失 timescales 量化输运行为，对比有无碰撞的情况。
• 单独分析束缚 RE 的动力学，识别出三种损失机制：碰撞散射、Ware 漩涡效应和无碰撞香蕉扩散。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电流衰减阶段，磁场所致混沌性是否能够抑制 ITER 中 runaway 电子束流的形成？
• RQ2 碰撞散射、Ware 漩涡效应和无碰撞香蕉扩散在使束缚 runaway 电子失稳中，相对重要性如何？
• RQ3 穿行和束缚 RE 的输运 timescales 与 RE 累积增长 timescales 相比如何？
• RQ4 库仑碰撞和辐射损失在混沌阶段对 RE 约束的影响程度如何？

主要发现

• 在电流衰减过程中，离子等离子体在 8 ms 内完全进入混沌状态，期间磁场输运足以克服 RE 累积增长。
• 穿行 RE 由于径向输运在混沌阶段迅速失稳，其损失 timescales 与或短于 RE 累积增长 timescales。
• 束缚 RE 通过三种机制失稳：碰撞散射（Ekin ≲ 200 keV）、Ware 漩涡效应（200 keV ≲ Ekin ≲ 10 MeV）和无碰撞香蕉扩散（Ekin ≳ 10 MeV）。
• 碰撞算子显著影响束缚粒子的动力学，而辐射反冲力对 RE 输运的影响可忽略不计。
• 极少数 RE 可能幸存于磁轴附近，但总体而言，混沌阶段在抑制束流形成方面非常有效。
• 模拟表明，RE 束流的大小对早期电流衰减阶段的损失极为敏感，尤其是在磁面重新形成前混沌性持续存在时。