通过联合 NBI 和 ECW 维持 HL-3 托卡马克高电流反向磁剪切位形的综合建模研究

《Fusion Engineering and Design》：Integrated modeling study on sustaining high-current reversed magnetic shear configurations in the HL-3 tokamak via combined NBI and ECW

　　

摘要

反向磁剪切（RMS）构型是实现先进托卡马克高参数稳态运行的关键途径，因为它可以有效抑制核心微湍流，触发内部输运垒（ITBs），并产生高自举电流份额。在高电流运行条件下，由于强欧姆电流快速渗透到核心以及非感应电流份额急剧下降，实现 RMS 构型具有挑战性。为解决这一问题，使用 METIS 综合建模代码对 HL-3 托卡马克在 1.8 MA 高电流场景下 RMS 构型的形成与维持进行了全面的模拟研究。

首先，基于 HL-3 装置的 1.5 MA 实验数据验证了模拟模型的可靠性。在此基础上，系统分析了中性束注入（NBI）时机、轴上电子回旋电流驱动（ECCD）方向以及非轴 ECCD 沉积位置对等离子体电流密度剖面演化和约束性能的影响。模拟结果表明，早期 NBI 注入（t?≤?0.75?s）可以利用磁冻结效应形成强 RMS 构型。然而，在晚期注入（t?=?0.85?s）期间，欧姆电流渗透到核心，使得难以形成 RMS 构型。

因此，提出了一种基于轴上反向电流驱动（Cntr-ECCD）的主动控制策略。通过在核心中创建电流孔以抵消感应欧姆电流，强行提升中心安全因子 q₀。此外，通过协同优化非轴 ECRH 沉积位置，实现了非轴驱动电流与磁拓扑结构的精确匹配，成功维持了宽范围的 RMS 结构。该提出的场景实现了归一化 beta (β_N) 约为 2.3 和高性能稳态运行，自举电流份额提升至 30%。本研究提出了一种在高电流下维持反向磁剪切构型的方法，为 HL-3 装置克服时机限制并实现高参数先进运行提供了关键的物理基础和参考场景。

引言

在托卡马克中实现高参数稳态运行是未来聚变反应堆（如 ITER 和 CFETR）的关键。在各种场景中，反向磁剪切（RMS）构型已成为实现高 β_N（归一化 beta）和高非感应电流驱动份额的重要途径，因为它能够抑制微湍流，触发内部输运垒（ITBs），并产生大量的自举电流 [1]。然而，随着装置向高电流（High I_p）和高参数领域发展，强烈的欧姆加热加速了电流扩散并诱发了极高的边缘热流，使得在放电平顶期维持具有高中心安全因子（q₀）的 RMS 构型变得极其困难 [2]。在没有有效的感应电流驱动控制的情况下，q-剖面倾向于演变为单调分布，q_min 可能降至 1 以下，从而触发锯齿振荡或新经典撕裂模（NTMs），导致约束性能下降甚至破裂。因此，利用辅助加热和电流驱动（H&CD）系统精确裁剪电流剖面以克服高电流下的电流扩散效应，仍然是实现高性能稳态运行的核心挑战。

HL-3 装置目前是中国参数最高的最大托卡马克 [3]，其核心任务之一是探索高电流条件下的高约束模式。充分利用现有的中性束注入（NBI）和电子回旋电流驱动（ECCD）系统，设计一个平衡高性能与工程鲁棒性的 1.8 MA 放电场景，对该装置即将开展的实验活动具有重大的指导价值。

在全球托卡马克研究中，反向磁剪切（RMS）构型的物理机制及其稳态维持一直是先进托卡马克（AT）场景的核心。早在 1990 年代，TFTR [4] 上的增强反向剪切（ERS）实验和 DIII-D [5] 上的负中心剪切（NCS）实验就率先发现了磁剪切反转对微湍流的强抑制作用。随后，欧洲 JET 托卡马克成功利用低杂波电流驱动（LHCD）在等离子体核心中产生了“电流孔”，实现了极端反向剪切构型与强 ITB 的耦合 [6]。在稳态维持方面，JT-60?U 装置通过利用强 RMS 构型实现了准稳态、完全非感应的高约束放电，自举电流份额接近 80%，取得了里程碑式的进展 [7]。最近，中国的完全超导 EAST 托卡马克在长脉冲稳态运行方面不断取得突破。通过射频波（如低杂波和电子回旋波）的精确协同控制，EAST 成功实现了持续时间超过 60 s 的具有 ITB 特征的完全非感应、高极向 beta（β_p）等离子体放电 [8]。这些前沿的国际探索充分表明，RMS 构型不仅能显著提高等离子体约束性能，而且通过与主动电流驱动和高自举电流的有效耦合，它也已成为实现未来聚变反应堆长脉冲稳态运行的重要途径。

此前，RMS 构型的维持主要依赖于电流爬升阶段期间的磁冻结效应，即施加早期加热以延迟电流扩散 [4,5]。然而，在高电流放电中，过早注入往往会遇到密度控制困难和束流渗透不足等问题。相反，晚期注入由于欧姆电流已经完全渗透，无法自然形成反向磁剪切。这种对时机的依赖严重限制了运行的鲁棒性。相比之下，利用电子回旋波（ECW）进行局部电流驱动（ECCD）提供了一种更主动的控制方法。具体而言，轴上反向电流驱动（Cntr-ECCD）具有抵消核心欧姆电流并创建“电流孔”的潜力，尽管其在 HL-3 高电流条件下的具体物理机制仍有待探索 [6,9]。

基于 METIS [10] 综合建模代码，本文针对 HL-3 装置的 1.8 MA 设计规格进行了全区域模拟研究。在利用 1.5 MA 实验数据验证模型后，系统评估了 NBI 注入时机和 ECCD 驱动方向对磁剪切演化的影响。该研究重点关注在晚期 NBI 注入条件下，如何利用轴上 Cntr-ECCD 与非轴沉积协同主动重塑电流剖面以克服时机限制。最终，提出了一种全面优化的运行场景，旨在为 HL-3 装置实现高 β_N 和高自举电流份额的 1.8 MA 高电流运行提供理论基础和参考数据。

章节片段

HL-3 装置参数

HL-3 装置具有主半径 R?=?1.78?m，小半径 a?=?0.65?m，最大等离子体电流 I_p?=?3 MA，以及最大环向磁场 B_t?=?3 T [3]，具备高密度和高 beta 运行能力（图 1）。目前，该装置配备了 27 MW 辅助加热系统（包括 8 MW ECRH，15 MW NBI，和 4 MW 低杂波）。

物理模型

本研究基于 METIS [11,12] 综合建模平台进行全局模拟研究。METIS 利用

1.5 MA 实验放电的模拟验证

为验证 HL-3 高电流条件下 METIS 模型的可靠性 [20]，选择了 1.5 MA 的第 13,243 号实验放电数据进行基准比较。该放电的核心参数为：R?=?1.78?m，a?=?0.614?m，B₀?=?2 T，以及线平均电子密度 n_e?=?(4.5–5)?×?10¹⁹?m^-3。基于实验可见轫致辐射测量，有效电荷数（Z_eff）在平顶期平均约为 2.04。因此，采用了时间平均的

NBI 注入时机对 RMS 形成的影响

NBI 的注入时机直接决定了电子温度升高的起始，进而影响等离子体电阻率和电流扩散过程。基于 1.8 MA 基准场景，初始 NBI 注入时间从 0.65?s 扫描至 1.3?s 以评估其对放电性能的影响。达到稳态时的各种参数见表 1，其中 β_N 是归一化 beta，f_bs 是自举电流份额，f_Ni 是非感应

总结

针对 HL-3 装置 1.8 MA 高电流设计目标，本文使用 METIS 代码进行综合建模研究，以探索克服强电流扩散效应并维持反向磁剪切构型的高性能运行场景。通过系统扫描和物理机制分析 NBI 注入时机、轴上 ECCD 驱动方向以及非轴 ECCD 沉积位置，得出以下主要结论：

• 1.
  关键性与

CRediT 作者贡献声明

李海：方法论、形式分析、数据整理、概念化。钟奕军：监督、资金获取。张俊波：调查。徐寿龙：调查。范子祺：调查。顾浩振：调查。徐新亮：软件、调查。王硕：资金获取。龚雪宇：资金获取。

李海 | 钟奕军 | 张俊波 | 徐寿龙 | 范子祺 | 顾浩振 | 徐新亮 | 王硕 | 龚雪宇

中国南华大学，湖南衡阳，421001，中国