[论文解读] Modeling the complete prevention of disruption-generated runaway electron beam formation with a passive 3D coil in SPARC

R. A. Tinguely, V.A. Izzo+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2021

Magnetic confinement fusion research参考文献 41被引用 41

一句话总结

本研究证明，在SPARC托卡马克装置中，一个被动的三维导电线圈（RE抑制线圈，REMC）可在等离子体破裂期间完全防止 runaway 电子（RE）束的形成。通过在电流衰减阶段通过感应耦合产生混沌磁场，REMC 使电子损失速度超过 RE 束形成的速度，从而在最坏情况的破裂场景中实现完全抑制。

ABSTRACT

The potential formation of multi-mega-ampere beams of relativistic "runaway" electrons (REs) during sudden terminations of tokamak plasmas poses a significant challenge to the tokamak's development as a fusion energy source. Here, we use state-of-the-art modeling of disruption magnetohydrodynamics coupled with a self-consistent evolution of RE generation and transport to show that a non-axisymmetric in-vessel coil will passively prevent RE beam formation during disruptions in the SPARC tokamak, a compact, high-field, high-current device capable of achieving a fusion gain Q > 2 in deuterium-tritium plasmas.

研究动机与目标

• 为解决托卡马克装置在破裂期间 runaway 电子束形成这一关键挑战，该挑战可能损坏面向等离子体的部件。
• 评估一种使用非轴对称、内部的三维线圈（REMC）的被动缓解策略，该线圈在破裂电流衰减期间被动生成混沌磁场。
• 在最坏情况的SPARC破裂场景（氘氚、H模、Q > 2）中，证明完全抑制 runaway 电子束形成。
• 通过集成模拟 3D MHD、真空场扰动和 RE 输运动力学，验证 REMC 的有效性。

提出的方法

• 使用 COMSOL 中的三维有限元分析，对 REMC 的真空磁场扰动进行建模，模拟其在破裂引起的电流衰减过程中的感应耦合。
• 使用 NIMROD 3D MHD 代码模拟电流衰减阶段，采用来自 REMC 感应电流（Icoil = 590 kA 峰值）的时间依赖外部磁场。
• 在 NIMROD 边界施加随时间变化的 n = 1–10 扭转傅里叶模态，其幅值按等离子体电流衰减比例缩放（Icoil(t) ∝ 1 − Ip(t)/Ip(0)）。
• 通过在 0.045 ms 内快速损失热能（4 × 10⁴ m²/s）来模拟热弛豫阶段，随后降低扩散率以稳定冷等离子体状态。
• 利用 ASCOT5 轨迹追踪代码，在 NIMROD 生成的 3D 混沌磁场中计算径向 RE 输运系数（对流 A 和扩散 D）。
• 将计算得到的输运系数用于流体-动力学求解器，模拟 RE 的生成与演化，重点研究束形成抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 SPARC 托卡马克中最严重的破裂场景中，被动三维线圈能否防止 runaway 电子束的形成？
• RQ2 REMC 通过感应产生的自驱动磁场扰动在多大程度上诱导出足够的场混沌性，以抑制 RE 束的形成？
• RQ3 在电流衰减过程中，非线性 MHD 模态增长和磁面破坏如何影响 RE 输运与束形成？
• RQ4 非轴对称磁场扰动在无需主动控制或外部场源的情况下，如何实现对 RE 的完全抑制？

主要发现

• REMC 在破裂期间被动感应出峰值电流 590 kA，产生强烈的 n = 1 和 n = 2 磁场扰动，驱动非线性 MHD 模态增长。
• 非线性 MHD 模拟显示，n = 1–10 模态在 t ≈ 0.65 ms 内迅速激发并饱和，其中 m/n = 1/1、2/1 和 3/2 模态在等离子体核心附近尤为显著。
• 在 t ≈ 0.7 ms 时，全局磁场出现混沌性，磁面完全破坏，并形成一个尺寸约厘米级、缓慢增长的中心磁岛。
• 感应产生的混沌磁场导致电子输运系数（A 和 D）超过 RE 束形成的临界阈值，使电子损失速率快于束的生长速率。
• 模拟结果表明，在最坏情况场景中未形成 RE 束，证实了通过被动缓解实现对 runaway 电子的完全抑制。
• 该方法在保守假设下仍具鲁棒性，包括人工热弛豫和输运建模中忽略碰撞效应与电场影响。