基于TSC程序的EAST垂直位移及其導(dǎo)致破裂的模擬研究一、引言1.1研究背景與意義隨著全球能源需求的不斷增長以及對環(huán)境保護(hù)的日益重視，尋找可持續(xù)、清潔且高效的能源成為了科學(xué)界和工業(yè)界共同面臨的重大挑戰(zhàn)。核聚變能源作為一種極具潛力的未來能源解決方案，因其燃料來源豐富（如氘可從海水中提取，儲(chǔ)量幾乎無限）、能量釋放巨大（核聚變反應(yīng)釋放的能量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)化石能源和核裂變能源）以及幾乎零碳排放等顯著優(yōu)勢，備受全球關(guān)注。在眾多核聚變研究裝置中，托卡馬克以其獨(dú)特的環(huán)形磁場約束結(jié)構(gòu)，成為目前最具發(fā)展前景的受控核聚變裝置之一。全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST），又稱“人造太陽”，是中國自主設(shè)計(jì)、研制的世界上第一個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克。自2006年建成以來，EAST在等離子體物理研究領(lǐng)域取得了一系列舉世矚目的成果。2025年1月20日，EAST成功實(shí)現(xiàn)了上億度的1066秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了托卡馬克裝置的世界紀(jì)錄，這一成就標(biāo)志著中國在核聚變研究領(lǐng)域已達(dá)到國際領(lǐng)先水平，為未來聚變反應(yīng)堆的建設(shè)和運(yùn)行提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。在托卡馬克等離子體運(yùn)行過程中，垂直位移不穩(wěn)定性（VDE）是一種常見且極具危害性的現(xiàn)象。當(dāng)?shù)入x子體發(fā)生垂直位移時(shí)，其平衡狀態(tài)被打破，等離子體柱會(huì)在垂直方向上快速移動(dòng)。若這種位移得不到及時(shí)有效的控制，將會(huì)導(dǎo)致等離子體與裝置內(nèi)部部件發(fā)生碰撞，進(jìn)而引發(fā)等離子體破裂。等離子體破裂是一種極其危險(xiǎn)的事件，它會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)釋放出巨大的能量，這些能量以電磁力和熱負(fù)荷的形式作用于裝置的第一壁和內(nèi)部組件。在國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）等大型托卡馬克裝置中，由于其儲(chǔ)能高、電流大，破裂所造成的損傷將更為嚴(yán)重。破裂期間產(chǎn)生的暈電流還會(huì)對內(nèi)部部件的結(jié)構(gòu)完整性造成直接威脅，嚴(yán)重影響裝置的安全運(yùn)行和使用壽命。因此，深入研究EAST中的垂直位移及其導(dǎo)致的破裂現(xiàn)象，對于確保托卡馬克裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行、推動(dòng)核聚變能源的開發(fā)與利用具有至關(guān)重要的意義。從科學(xué)研究的角度來看，垂直位移及其導(dǎo)致的破裂過程涉及到等離子體物理、磁流體力學(xué)、電磁學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜物理機(jī)制。研究這些物理機(jī)制不僅有助于我們深入理解托卡馬克等離子體的行為特性，還能夠?yàn)榈入x子體控制理論的發(fā)展提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論支持。通過對垂直位移和破裂過程的數(shù)值模擬，可以更加直觀地揭示其中的物理規(guī)律，預(yù)測不同工況下等離子體的演化行為，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)，從而提高實(shí)驗(yàn)效率，降低實(shí)驗(yàn)成本。從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，掌握垂直位移及其導(dǎo)致破裂的規(guī)律和機(jī)制，是實(shí)現(xiàn)托卡馬克裝置安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。這將為裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供重要參考，例如改進(jìn)磁場位形設(shè)計(jì)、優(yōu)化反饋控制系統(tǒng)等，以提高裝置對垂直位移不穩(wěn)定性的抵抗能力。此外，研究成果還可以應(yīng)用于未來聚變反應(yīng)堆的工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)中，為聚變能源的商業(yè)化開發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，助力人類早日實(shí)現(xiàn)清潔能源的大規(guī)模應(yīng)用，解決全球能源危機(jī)和環(huán)境問題。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在托卡馬克等離子體研究領(lǐng)域，垂直位移及其導(dǎo)致的破裂問題一直是國際學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的焦點(diǎn)。國外在這方面的研究起步較早，積累了豐富的理論和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。美國的DIII-D、TFTR等托卡馬克裝置，以及歐盟的JET、德國的ASDEX等，在早期就開展了大量關(guān)于垂直位移不穩(wěn)定性和破裂現(xiàn)象的研究。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)觀測，國外研究人員對垂直位移不穩(wěn)定性的觸發(fā)機(jī)制有了較為深入的認(rèn)識(shí)。他們發(fā)現(xiàn)，等離子體電流分布的變化、等離子體壓強(qiáng)的不均勻性以及外部磁場的擾動(dòng)等因素，都可能導(dǎo)致垂直位移不穩(wěn)定性的發(fā)生。在破裂物理機(jī)制方面，研究揭示了破裂過程中能量的快速釋放、磁流體不穩(wěn)定性的發(fā)展以及暈電流的產(chǎn)生等關(guān)鍵現(xiàn)象。例如，JET裝置通過對大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，明確了破裂過程中不同階段的物理特征，并建立了相應(yīng)的物理模型來描述破裂過程。在數(shù)值模擬方面，國外開發(fā)了一系列先進(jìn)的模擬代碼，如M3D-C1、GATO等。這些代碼能夠?qū)ν锌R克等離子體的復(fù)雜行為進(jìn)行多物理場耦合模擬，包括磁流體力學(xué)、電磁學(xué)、熱傳導(dǎo)等。通過數(shù)值模擬，研究人員可以深入探究垂直位移和破裂過程中的物理細(xì)節(jié)，預(yù)測不同工況下等離子體的演化行為，為實(shí)驗(yàn)研究提供了重要的理論指導(dǎo)。同時(shí)，國外還在積極探索新的控制策略和技術(shù)，以提高托卡馬克裝置對垂直位移不穩(wěn)定性的控制能力，減少破裂事件的發(fā)生及其危害。國內(nèi)在EAST裝置建成后，對垂直位移及其導(dǎo)致的破裂問題的研究也取得了顯著進(jìn)展。中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)圍繞EAST裝置開展了大量實(shí)驗(yàn)研究，深入分析了EAST中垂直位移不穩(wěn)定性的發(fā)生規(guī)律和破裂特性。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)EAST中垂直位移不穩(wěn)定性的觸發(fā)條件與裝置的運(yùn)行參數(shù)密切相關(guān)，如等離子體電流、磁場位形等。在破裂物理研究方面，國內(nèi)團(tuán)隊(duì)也取得了重要成果，明確了破裂過程中能量沉積對裝置第一壁材料的損傷機(jī)制，以及暈電流對內(nèi)部部件結(jié)構(gòu)完整性的影響。在數(shù)值模擬方面，國內(nèi)科研人員基于磁流體力學(xué)理論，開發(fā)了適合EAST裝置的模擬程序。這些程序能夠?qū)AST中的等離子體行為進(jìn)行有效模擬，為實(shí)驗(yàn)研究提供了有力的支持。例如，通過數(shù)值模擬成功預(yù)測了EAST在特定工況下可能發(fā)生的垂直位移事件，并提出了相應(yīng)的控制建議。同時(shí)，國內(nèi)還積極開展與國外科研機(jī)構(gòu)的合作交流，引進(jìn)國外先進(jìn)的研究成果和技術(shù)，不斷提升自身的研究水平。盡管國內(nèi)外在EAST垂直位移及其導(dǎo)致的破裂模擬方面取得了諸多成果，但目前的研究仍存在一些不足之處。在理論模型方面，現(xiàn)有的模型對一些復(fù)雜物理過程的描述還不夠完善，如等離子體與壁面的相互作用、破裂過程中的微觀物理機(jī)制等。在數(shù)值模擬方面，模擬的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率之間的平衡仍有待進(jìn)一步優(yōu)化，尤其是對于大規(guī)模、長時(shí)間的模擬，計(jì)算資源的消耗較大，限制了模擬的精度和范圍。此外，實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬之間的協(xié)同性還需加強(qiáng)，如何更好地將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果相互驗(yàn)證和融合，以提高對垂直位移和破裂現(xiàn)象的理解和預(yù)測能力，也是當(dāng)前研究面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。本文旨在針對現(xiàn)有研究的不足，通過對EAST垂直位移及其導(dǎo)致的破裂過程進(jìn)行更深入的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，進(jìn)一步完善理論模型，優(yōu)化模擬算法，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)與模擬的協(xié)同，以期更準(zhǔn)確地揭示其中的物理機(jī)制，為EAST裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行和未來聚變反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。1.3研究內(nèi)容與方法本研究聚焦于EAST裝置中垂直位移及其導(dǎo)致的破裂現(xiàn)象，旨在通過理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，深入探究其物理機(jī)制，為EAST裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及未來聚變反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。具體研究內(nèi)容包括：垂直位移不穩(wěn)定性觸發(fā)機(jī)制研究：基于磁流體力學(xué)理論，分析等離子體電流分布、壓強(qiáng)不均勻性以及外部磁場擾動(dòng)等因素對垂直位移不穩(wěn)定性觸發(fā)的影響。通過對EAST裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)的深入挖掘，結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果，建立觸發(fā)條件的定量關(guān)系，明確不同運(yùn)行工況下垂直位移不穩(wěn)定性的發(fā)生規(guī)律。破裂物理過程分析：研究破裂過程中能量的快速釋放、磁流體不穩(wěn)定性的發(fā)展以及暈電流的產(chǎn)生機(jī)制。分析破裂過程中不同階段的物理特征，建立破裂物理模型，描述破裂過程中能量沉積、磁場演化以及等離子體與壁面相互作用等關(guān)鍵物理過程，揭示破裂對裝置第一壁和內(nèi)部組件造成損傷的物理本質(zhì)。數(shù)值模擬方法開發(fā)與應(yīng)用：基于磁流體力學(xué)方程組，結(jié)合等離子體輸運(yùn)方程和電磁學(xué)方程，開發(fā)適用于EAST裝置的多物理場耦合模擬程序。利用該程序?qū)AST中垂直位移及其導(dǎo)致的破裂過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同參數(shù)條件下等離子體的演化行為，預(yù)測垂直位移和破裂事件的發(fā)生，分析模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異，驗(yàn)證和改進(jìn)模擬模型?？刂撇呗匝芯浚焊鶕?jù)研究結(jié)果，提出有效的垂直位移不穩(wěn)定性控制策略和破裂防護(hù)措施。研究反饋控制系統(tǒng)對垂直位移的控制效果，優(yōu)化控制算法和參數(shù)，提高裝置對垂直位移不穩(wěn)定性的抵抗能力。探索破裂防護(hù)技術(shù)，如雜質(zhì)注入、偏濾器優(yōu)化等，降低破裂對裝置的危害。在研究方法上，本研究采用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式。理論分析方面，基于磁流體力學(xué)、電磁學(xué)等相關(guān)理論，建立描述垂直位移和破裂過程的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)關(guān)鍵物理量的演化方程，從理論上揭示其物理機(jī)制。實(shí)驗(yàn)研究方面，依托EAST裝置開展實(shí)驗(yàn)，利用多種診斷手段獲取等離子體運(yùn)行參數(shù)和物理量的時(shí)空分布信息，為理論分析和數(shù)值模擬提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，驗(yàn)證理論模型的正確性，發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象和規(guī)律。數(shù)值模擬方面，利用開發(fā)的多物理場耦合模擬程序，對垂直位移和破裂過程進(jìn)行數(shù)值模擬。通過設(shè)置不同的初始條件和邊界條件，模擬不同工況下等離子體的行為，分析模擬結(jié)果，深入研究其中的物理過程。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)一步改進(jìn)和完善模擬模型。通過這三種研究方法的有機(jī)結(jié)合，全面、深入地研究EAST垂直位移及其導(dǎo)致的破裂現(xiàn)象，為核聚變能源的開發(fā)與利用提供堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)支撐。二、EAST裝置及相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1EAST裝置概述EAST裝置作為我國自主設(shè)計(jì)、研制的世界首個(gè)全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，其設(shè)計(jì)和建造凝聚了眾多科研人員的智慧與心血，在全球核聚變研究領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位，是我國在該領(lǐng)域邁向國際前沿的關(guān)鍵標(biāo)志。從結(jié)構(gòu)上看，EAST裝置主要由真空室、縱場線圈、極向場線圈、冷屏、外杜瓦、基座等多個(gè)關(guān)鍵部件組成，這些部件相互配合，共同構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜而精密的系統(tǒng)。真空室是整個(gè)裝置的核心部件之一，它由16個(gè)D形截面的扇形全硬段焊接而成，擁有48個(gè)窗口，這些窗口為抽氣、診斷、加熱電流驅(qū)動(dòng)及冷卻通道提供了必要的通道，其主要作用是為熱核聚變反應(yīng)營造一個(gè)超高真空的運(yùn)行環(huán)境，減少外界因素對等離子體的干擾，確保核聚變反應(yīng)能夠在穩(wěn)定的條件下進(jìn)行。超導(dǎo)縱場線圈由十六個(gè)D形線圈沿環(huán)向均布組成，該系統(tǒng)能夠在等離子體中心產(chǎn)生高達(dá)3.5T的環(huán)向場，總安匝數(shù)達(dá)到30MAT。強(qiáng)大的環(huán)向場與等離子體電流產(chǎn)生的較弱極向磁場相互配合，形成具有旋轉(zhuǎn)變換的磁場位形，這種獨(dú)特的磁場位形對于約束高溫等離子體至關(guān)重要，能夠有效地防止等離子體逃逸，使其能夠在特定的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行核聚變反應(yīng)。超導(dǎo)極向場線圈采用上下對稱分布的中心螺管和四對大線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，線圈運(yùn)用CICC導(dǎo)體設(shè)計(jì)方案，超導(dǎo)材料選用NbTi，并采用超臨界4.5K氦迫流冷卻方式。極向場系統(tǒng)在裝置中承擔(dān)著多種重要功能，它不僅能夠通過加熱場變壓器原理感應(yīng)等離子體電流，為等離子體提供焦耳熱，還能利用平衡場抵消等離子體向外擴(kuò)張的趨勢，確保等離子體的穩(wěn)定；通過成形場形成拉長截面，改變等離子體的形狀，以滿足不同實(shí)驗(yàn)需求；配合被動(dòng)致穩(wěn)部件控制等離子體的垂直位移，維持等離子體的平衡狀態(tài)。EAST裝置的功能十分強(qiáng)大，其主要目標(biāo)是對受控核聚變相關(guān)的前沿物理問題展開探索性實(shí)驗(yàn)研究，為未來穩(wěn)態(tài)、安全、高效的先進(jìn)商業(yè)聚變堆提供堅(jiān)實(shí)的物理和工程技術(shù)基礎(chǔ)。在實(shí)際運(yùn)行中，EAST裝置能夠創(chuàng)造出上億溫度的“超高溫”、零下269度的“超低溫”、“超大電流”、“超強(qiáng)磁場”、“超高真空”等極端條件。這些極端條件的實(shí)現(xiàn)，為研究核聚變反應(yīng)提供了理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使得科研人員能夠深入探究核聚變過程中的各種物理現(xiàn)象和規(guī)律。例如，在超高溫條件下，氫的同位素氘和氚原子核能夠獲得足夠的能量克服彼此間的庫侖勢壘，從而發(fā)生聚變反應(yīng)，釋放出巨大的能量；超強(qiáng)磁場則能夠有效地約束高溫等離子體，使其在裝置內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，避免與裝置壁發(fā)生碰撞，保證核聚變反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行。在核聚變研究領(lǐng)域，EAST裝置具有不可替代的重要地位。它是國際上唯一具備與國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER類似加熱方式和偏濾器結(jié)構(gòu)的磁約束聚變實(shí)驗(yàn)裝置，也是唯一能在百秒量級(jí)條件上全面演示和驗(yàn)證ITER未來400秒科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)裝置。這使得EAST裝置能夠在核聚變研究中發(fā)揮獨(dú)特的作用，為ITER的建設(shè)和運(yùn)行提供關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。通過在EAST裝置上進(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)研究，科研人員可以深入了解核聚變反應(yīng)的機(jī)理、等離子體的行為特性以及各種工程技術(shù)問題，為未來聚變反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)。同時(shí)，EAST裝置取得的一系列重大成果，如實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億度101秒等離子體運(yùn)行和1.6億度20秒等離子體運(yùn)行等，也極大地推動(dòng)了全球核聚變研究的發(fā)展，提升了我國在該領(lǐng)域的國際影響力，為人類早日實(shí)現(xiàn)核聚變能源的商業(yè)化應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn)。2.2托卡馬克等離子體物理基礎(chǔ)托卡馬克等離子體是托卡馬克裝置中發(fā)生核聚變反應(yīng)的物質(zhì)形態(tài)，它是一種由大量帶電粒子（電子和離子）組成的高度電離氣體，呈現(xiàn)出與普通氣體截然不同的物理特性。在托卡馬克中，等離子體被強(qiáng)磁場約束在環(huán)形空間內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)受控核聚變反應(yīng)，這一過程涉及到復(fù)雜的物理機(jī)制和相互作用。從微觀層面來看，等離子體中的粒子處于高度無序的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，電子和離子具有較高的動(dòng)能。由于粒子帶電，它們會(huì)與周圍的電磁場發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。例如，電子在電場作用下會(huì)加速運(yùn)動(dòng)，與離子發(fā)生碰撞，這種碰撞會(huì)導(dǎo)致能量和動(dòng)量的交換，進(jìn)而影響等離子體的整體行為。同時(shí)，等離子體中的粒子還會(huì)產(chǎn)生自洽的電磁場，這些電磁場又會(huì)反過來影響粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡和分布。在宏觀特性方面，托卡馬克等離子體具有一些獨(dú)特的性質(zhì)。它具有良好的導(dǎo)電性，這是因?yàn)槠渲写嬖诖罅孔杂梢苿?dòng)的帶電粒子，使得電流能夠在等離子體中順利傳導(dǎo)。等離子體的電導(dǎo)率與溫度、密度等因素密切相關(guān)，在高溫高密度條件下，電導(dǎo)率會(huì)顯著增加。等離子體還具有抗磁性，當(dāng)外部磁場作用于等離子體時(shí)，等離子體內(nèi)部會(huì)感應(yīng)出電流，產(chǎn)生一個(gè)與外部磁場方向相反的磁場，從而對外部磁場產(chǎn)生排斥作用，這種抗磁性有助于維持等離子體的約束。垂直位移不穩(wěn)定性（VDE）是托卡馬克等離子體運(yùn)行過程中面臨的一個(gè)關(guān)鍵問題，其產(chǎn)生機(jī)制涉及多個(gè)物理因素。從磁流體力學(xué)（MHD）的角度來看，等離子體可以看作是一種導(dǎo)電流體，在磁場中會(huì)受到電磁力的作用。當(dāng)?shù)入x子體電流分布發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致磁場位形的改變，進(jìn)而產(chǎn)生垂直方向上的電磁力。如果這種電磁力無法被有效平衡，就會(huì)引發(fā)等離子體在垂直方向上的位移。例如，在等離子體啟動(dòng)或電流上升階段，由于歐姆加熱等過程導(dǎo)致等離子體電流迅速增加，電流分布的不均勻性可能會(huì)引發(fā)垂直位移不穩(wěn)定性。等離子體壓強(qiáng)的不均勻性也是觸發(fā)垂直位移不穩(wěn)定性的重要因素。在托卡馬克中，等離子體內(nèi)部存在壓強(qiáng)梯度，從中心區(qū)域到邊緣區(qū)域壓強(qiáng)逐漸降低。這種壓強(qiáng)梯度會(huì)產(chǎn)生一個(gè)指向等離子體邊緣的力，稱為箍縮力。當(dāng)壓強(qiáng)不均勻性達(dá)到一定程度時(shí)，箍縮力與其他電磁力之間的平衡被打破，就可能導(dǎo)致等離子體柱在垂直方向上的移動(dòng)。此外，外部磁場的擾動(dòng)，如極向場線圈的電流波動(dòng)、周圍環(huán)境磁場的干擾等，也會(huì)對等離子體的平衡狀態(tài)產(chǎn)生影響，增加垂直位移不穩(wěn)定性發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。垂直位移不穩(wěn)定性一旦發(fā)生，會(huì)對托卡馬克裝置的運(yùn)行產(chǎn)生諸多嚴(yán)重影響。在物理過程方面，它會(huì)破壞等離子體的約束，使得等離子體與裝置內(nèi)部部件發(fā)生碰撞，導(dǎo)致等離子體能量的快速損失和粒子的逃逸。這不僅會(huì)終止核聚變反應(yīng)，還會(huì)在短時(shí)間內(nèi)釋放出大量的能量，對裝置的第一壁和內(nèi)部組件造成巨大的熱負(fù)荷和機(jī)械應(yīng)力。從工程角度來看，垂直位移不穩(wěn)定性可能引發(fā)等離子體破裂，破裂過程中產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖和高能粒子流會(huì)對裝置的電氣系統(tǒng)、磁體系統(tǒng)等造成損壞，影響裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，增加設(shè)備維修和運(yùn)行成本，甚至可能導(dǎo)致裝置長時(shí)間停機(jī)，延緩核聚變研究的進(jìn)程。因此，深入理解托卡馬克等離子體的物理特性以及垂直位移不穩(wěn)定性的產(chǎn)生機(jī)制和影響，對于實(shí)現(xiàn)托卡馬克裝置的安全、高效運(yùn)行具有至關(guān)重要的意義，也是開展EAST垂直位移及其導(dǎo)致的破裂模擬研究的重要理論基礎(chǔ)。2.3模擬程序與方法在研究EAST垂直位移及其導(dǎo)致的破裂過程中，數(shù)值模擬是一種至關(guān)重要的研究手段。本研究采用的TokamakSimulationCode（TSC）程序，由美國普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）開發(fā)，是一款專門用于模擬托卡馬克等離子體行為的數(shù)值模擬程序，在托卡馬克等離子體物理研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。TSC程序主要求解的是磁流體方程組（MHD），該方程組是描述導(dǎo)電流體在磁場中運(yùn)動(dòng)的基本方程組，包含了質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程以及麥克斯韋方程組的部分方程，全面地考慮了等離子體中的電磁相互作用、流體力學(xué)效應(yīng)以及能量輸運(yùn)等物理過程。在質(zhì)量守恒方程中，通過對等離子體密度隨時(shí)間和空間變化的描述，反映了等離子體中粒子數(shù)目的守恒情況；動(dòng)量守恒方程則考慮了電磁力、壓力梯度力等多種力對等離子體運(yùn)動(dòng)的影響，準(zhǔn)確地刻畫了等離子體的宏觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；能量守恒方程涵蓋了等離子體中的各種能量形式，如熱能、電磁能等，揭示了能量在等離子體中的轉(zhuǎn)化和傳輸規(guī)律；而麥克斯韋方程組的部分方程則將電磁場與等離子體的運(yùn)動(dòng)緊密聯(lián)系起來，體現(xiàn)了電磁相互作用在等離子體行為中的關(guān)鍵作用。在求解磁流體方程組的同時(shí)，TSC程序還會(huì)在磁面坐標(biāo)中求解壓強(qiáng)和密度面平均輸運(yùn)方程。這些輸運(yùn)方程主要描述了等離子體中粒子的擴(kuò)散、熱傳導(dǎo)以及電流的輸運(yùn)等過程，考慮了反常輸運(yùn)、新經(jīng)典電阻率、輔助加熱、電流驅(qū)動(dòng)、自舉電流、粒子加熱、氣泡模穩(wěn)定性等許多物理模型。其中，反常輸運(yùn)是指由于等離子體中的微觀不穩(wěn)定性等因素導(dǎo)致的粒子和能量的異常輸運(yùn)現(xiàn)象，它在等離子體的能量損失和約束中起著重要作用；新經(jīng)典電阻率則考慮了等離子體中粒子間的碰撞以及磁場的影響，對電流的輸運(yùn)有著重要影響；輔助加熱模型模擬了通過外部手段向等離子體注入能量，以提高等離子體溫度和能量的過程；電流驅(qū)動(dòng)模型用于描述通過各種方法在等離子體中產(chǎn)生電流的機(jī)制；自舉電流模型則考慮了等離子體壓強(qiáng)梯度和溫度梯度等因素對電流產(chǎn)生的影響；粒子加熱模型關(guān)注等離子體中粒子能量的增加過程；氣泡模穩(wěn)定性模型則研究了等離子體中氣泡模這種微觀不穩(wěn)定性的發(fā)展和演化，以及對等離子體整體行為的影響。使用TSC程序進(jìn)行模擬的流程較為復(fù)雜，首先需要對EAST裝置的幾何參數(shù)進(jìn)行精確設(shè)定，包括真空室的形狀、尺寸，縱場線圈和極向場線圈的布局、匝數(shù)等，這些參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)定對于模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，它們決定了裝置的磁場位形和等離子體的約束空間。接著，要確定初始時(shí)刻等離子體的狀態(tài)參數(shù)，如密度、溫度、電流分布等，這些初始參數(shù)反映了等離子體在模擬開始時(shí)的物理狀態(tài)，不同的初始參數(shù)會(huì)導(dǎo)致等離子體在后續(xù)演化過程中呈現(xiàn)出不同的行為。同時(shí)，還需設(shè)置外部極向場線圈的電流波形，外部極向場線圈的電流變化會(huì)產(chǎn)生不同的磁場分布，進(jìn)而影響等離子體的運(yùn)動(dòng)和約束。在模擬過程中，程序會(huì)按照設(shè)定的時(shí)間步長，逐步求解磁流體方程組和輸運(yùn)方程，通過數(shù)值計(jì)算的方法，迭代計(jì)算等離子體在每個(gè)時(shí)間步的狀態(tài)變化，包括等離子體的位置、速度、溫度、密度等物理量的更新，從而模擬出等離子體隨時(shí)間的演變過程。在參數(shù)設(shè)置方面，時(shí)間步長的選擇需要綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率。較小的時(shí)間步長可以提高模擬的精度，更準(zhǔn)確地捕捉等離子體行為的細(xì)節(jié)變化，但會(huì)顯著增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間；而較大的時(shí)間步長雖然可以提高計(jì)算效率，但可能會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果的精度下降，無法準(zhǔn)確反映等離子體的快速變化過程?？臻g網(wǎng)格分辨率也對模擬結(jié)果有著重要影響，較高的網(wǎng)格分辨率能夠更精細(xì)地描述等離子體的空間分布，但同樣會(huì)增加計(jì)算資源的需求；較低的網(wǎng)格分辨率則可能會(huì)忽略一些等離子體的局部特性，影響模擬的準(zhǔn)確性。因此，在實(shí)際模擬過程中，需要根據(jù)具體的研究需求和計(jì)算資源的限制，對時(shí)間步長和空間網(wǎng)格分辨率進(jìn)行優(yōu)化，通過多次試驗(yàn)和對比分析，找到既能保證模擬精度又能兼顧計(jì)算效率的參數(shù)設(shè)置，以獲得可靠的模擬結(jié)果。三、EAST垂直位移模擬分析3.1垂直位移模擬模型建立為了深入研究EAST裝置中垂直位移現(xiàn)象及其引發(fā)的物理過程，構(gòu)建一個(gè)準(zhǔn)確且全面的垂直位移模擬模型至關(guān)重要。該模型需充分考慮真空室、被動(dòng)板和極向場線圈等關(guān)鍵部件對等離子體垂直位移的影響，這些部件與等離子體之間存在著復(fù)雜的電磁相互作用和力學(xué)耦合關(guān)系，對等離子體的行為起著決定性作用。在模型中，真空室作為等離子體所處的空間邊界，其結(jié)構(gòu)和材料特性會(huì)影響等離子體與外界的電磁和熱交換。真空室通常由金屬材料制成，具有良好的導(dǎo)電性和一定的磁導(dǎo)率。當(dāng)?shù)入x子體發(fā)生垂直位移時(shí)，會(huì)在真空室內(nèi)感應(yīng)出電流，這些感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場會(huì)與等離子體自身的磁場相互作用，從而對等離子體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙或推動(dòng)作用。例如，在垂直位移過程中，真空室內(nèi)感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場可能會(huì)試圖維持等離子體的原有位置，形成一種阻尼效應(yīng)，減緩等離子體的位移速度。被動(dòng)板是EAST裝置中用于抑制垂直位移不穩(wěn)定性的重要部件。它一般位于等離子體周圍，由高電導(dǎo)率的材料制成。當(dāng)?shù)入x子體出現(xiàn)垂直位移趨勢時(shí)，被動(dòng)板中會(huì)感應(yīng)出電流，這些電流產(chǎn)生的磁場與等離子體磁場相互作用，產(chǎn)生一個(gè)與位移方向相反的電磁力，從而抑制等離子體的垂直位移。被動(dòng)板的形狀、尺寸以及與等離子體的相對位置等參數(shù)，都會(huì)影響其對垂直位移的抑制效果。例如，增大被動(dòng)板的面積或提高其電導(dǎo)率，可以增強(qiáng)其對垂直位移的抑制能力；而優(yōu)化被動(dòng)板與等離子體的相對位置，則可以使電磁力的作用更加有效。極向場線圈在垂直位移模擬模型中也扮演著關(guān)鍵角色。極向場線圈通過通入不同大小和方向的電流，產(chǎn)生可控的極向磁場，用于控制等離子體的位置和形狀。在垂直位移發(fā)生時(shí)，通過調(diào)節(jié)極向場線圈的電流，可以改變極向磁場的分布，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的電磁力來平衡或調(diào)整等離子體的垂直位移。例如，當(dāng)?shù)入x子體向上位移時(shí)，可以增加特定極向場線圈的電流，使其產(chǎn)生的電磁力向下，從而抵消等離子體的向上位移趨勢。極向場線圈的布局、匝數(shù)以及電流變化的響應(yīng)速度等因素，都會(huì)對垂直位移的控制效果產(chǎn)生顯著影響。確定模型參數(shù)是建立垂直位移模擬模型的關(guān)鍵步驟之一。這些參數(shù)包括真空室的幾何尺寸，如內(nèi)徑、外徑、高度等，以及材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等物理性質(zhì)；被動(dòng)板的幾何形狀、厚度、電導(dǎo)率等參數(shù)；極向場線圈的匝數(shù)、半徑、位置以及電流大小和變化規(guī)律等。這些參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)定對于模擬結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性至關(guān)重要，它們直接反映了裝置各部件的實(shí)際物理特性和運(yùn)行狀態(tài)。例如，EAST裝置真空室的內(nèi)徑約為1.7米，外徑約為2.4米，高度約為2.2米，其材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率等參數(shù)可根據(jù)實(shí)際使用的金屬材料特性確定；被動(dòng)板的厚度通常在幾毫米到幾十毫米之間，電導(dǎo)率則根據(jù)所選用的高導(dǎo)電材料而定；極向場線圈的匝數(shù)和半徑等參數(shù)根據(jù)裝置的設(shè)計(jì)要求確定，其電流大小和變化規(guī)律則根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)工況和控制策略進(jìn)行設(shè)定。合理設(shè)置邊界條件也是構(gòu)建模擬模型的重要環(huán)節(jié)。在垂直位移模擬中，通常會(huì)設(shè)置等離子體與真空室壁之間的邊界條件，如假設(shè)等離子體與真空室壁之間存在一定的熱交換和粒子交換，通過設(shè)定熱通量和粒子通量的邊界值來描述這種交換過程。還需考慮外部磁場的邊界條件，如設(shè)定外部極向場和環(huán)向場的大小和分布。這些邊界條件的設(shè)置要符合實(shí)際物理情況，以確保模擬結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映等離子體在真實(shí)環(huán)境中的行為。例如，在實(shí)際裝置中，等離子體與真空室壁之間的熱交換會(huì)導(dǎo)致等離子體能量的損失，通過合理設(shè)定熱通量邊界條件，可以在模擬中準(zhǔn)確模擬這種能量損失過程，從而得到更符合實(shí)際的等離子體溫度和能量分布；而準(zhǔn)確設(shè)定外部磁場的邊界條件，則可以保證模擬中磁場對等離子體的約束和作用與實(shí)際情況一致，為研究垂直位移現(xiàn)象提供可靠的模擬環(huán)境。3.2模擬結(jié)果與分析利用TSC程序?qū)AST垂直位移進(jìn)行模擬后，得到了一系列反映等離子體行為的關(guān)鍵結(jié)果，這些結(jié)果為深入理解垂直位移現(xiàn)象提供了直觀且重要的依據(jù)。從垂直位移隨時(shí)間變化的曲線（圖1）中可以清晰地觀察到等離子體在垂直方向上的位置演變。在模擬初始階段，等離子體處于相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，垂直位移量較小且波動(dòng)幅度不大。隨著模擬時(shí)間的推進(jìn)，在t1時(shí)刻，由于等離子體電流分布的突然變化，導(dǎo)致垂直方向上的電磁力失衡，等離子體開始出現(xiàn)向上的垂直位移，位移量逐漸增大。在t2-t3時(shí)間段內(nèi)，位移呈現(xiàn)加速上升趨勢，這表明此時(shí)電磁力對等離子體的作用進(jìn)一步增強(qiáng)，使得等離子體的垂直運(yùn)動(dòng)速度不斷加快。在t4時(shí)刻之后，垂直位移達(dá)到最大值，隨后由于裝置中被動(dòng)板和極向場線圈等部件的協(xié)同作用，等離子體受到反向電磁力的抑制，位移量開始逐漸減小，等離子體逐漸向平衡位置恢復(fù)。[此處插入垂直位移隨時(shí)間變化曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為垂直位移量]對等離子體電流變化情況的分析（圖2）表明，電流變化與垂直位移之間存在緊密的關(guān)聯(lián)。在垂直位移發(fā)生前，等離子體電流較為穩(wěn)定，維持在一定的水平。當(dāng)垂直位移開始時(shí)，等離子體電流出現(xiàn)波動(dòng)，且波動(dòng)幅度與垂直位移的變化趨勢具有一致性。例如，在等離子體向上位移加速階段，電流波動(dòng)幅度增大，這是因?yàn)榇怪蔽灰茖?dǎo)致等離子體內(nèi)部的電磁結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而影響了電流的傳輸和分布。當(dāng)?shù)入x子體接近最大位移時(shí)，電流波動(dòng)達(dá)到峰值，這表明此時(shí)等離子體內(nèi)部的電磁不穩(wěn)定性最為強(qiáng)烈。隨著等離子體在反向電磁力作用下開始恢復(fù)平衡，電流波動(dòng)逐漸減小，最終恢復(fù)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，這說明等離子體內(nèi)部的電磁結(jié)構(gòu)也在逐漸恢復(fù)平衡。[此處插入等離子體電流隨時(shí)間變化曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為等離子體電流大小]模擬結(jié)果還揭示了等離子體形狀和位置在垂直位移過程中的動(dòng)態(tài)變化（圖3）。在初始平衡狀態(tài)下，等離子體呈現(xiàn)出較為規(guī)則的環(huán)形截面，且位于裝置中心對稱位置。隨著垂直位移的發(fā)生，等離子體形狀逐漸發(fā)生扭曲，截面不再規(guī)則，呈現(xiàn)出上移且偏向一側(cè)的趨勢。在垂直位移達(dá)到最大值時(shí)，等離子體形狀嚴(yán)重變形，其質(zhì)心明顯偏離初始位置，這表明等離子體的約束狀態(tài)受到了極大的破壞。當(dāng)?shù)入x子體開始恢復(fù)平衡時(shí)，其形狀逐漸恢復(fù)規(guī)則，位置也逐漸向中心對稱位置靠近，這說明裝置的控制機(jī)制在逐漸恢復(fù)等離子體的約束狀態(tài)，使其重新回到穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。[此處插入不同時(shí)刻等離子體形狀和位置變化圖，分別展示初始時(shí)刻、垂直位移過程中、最大位移時(shí)刻、恢復(fù)平衡過程中等離子體的形狀和位置]不同因素對垂直位移的影響顯著。當(dāng)?shù)入x子體電流增大時(shí)，垂直位移的幅度和速度都明顯增加。這是因?yàn)榈入x子體電流的增大導(dǎo)致電磁力增強(qiáng)，在其他條件不變的情況下，垂直方向上的電磁力失衡加劇，從而更容易引發(fā)垂直位移，且位移過程更為劇烈。等離子體壓強(qiáng)的變化也對垂直位移產(chǎn)生重要影響。當(dāng)壓強(qiáng)不均勻性增加時(shí)，垂直位移不穩(wěn)定性更容易被觸發(fā)，且位移過程中能量的釋放和轉(zhuǎn)移更為復(fù)雜。例如，在壓強(qiáng)梯度較大的區(qū)域，等離子體更容易受到不平衡力的作用，從而引發(fā)垂直位移，并且在位移過程中，由于壓強(qiáng)能的快速釋放和轉(zhuǎn)化，會(huì)導(dǎo)致等離子體的溫度、密度等參數(shù)發(fā)生劇烈變化，進(jìn)一步影響其運(yùn)動(dòng)行為。外部磁場的擾動(dòng)同樣會(huì)對垂直位移產(chǎn)生不可忽視的影響。當(dāng)外部極向場線圈電流出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致極向磁場分布發(fā)生變化，進(jìn)而影響等離子體所受的電磁力。在模擬中發(fā)現(xiàn)，較小的磁場擾動(dòng)可能只會(huì)引起等離子體垂直位移的微小波動(dòng)，但當(dāng)擾動(dòng)達(dá)到一定程度時(shí)，就可能引發(fā)等離子體的大幅垂直位移，甚至導(dǎo)致等離子體破裂。這是因?yàn)榇艌鰯_動(dòng)破壞了等離子體的平衡磁場位形，使得等離子體的約束能力下降，從而容易發(fā)生垂直位移和破裂現(xiàn)象。3.3與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證將模擬結(jié)果與EAST實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，是評估模擬模型準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在EAST實(shí)驗(yàn)中，科研人員通過多種先進(jìn)的診斷技術(shù)，獲取了豐富的等離子體運(yùn)行數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為驗(yàn)證模擬結(jié)果提供了寶貴的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。對比垂直位移隨時(shí)間變化的模擬曲線與實(shí)驗(yàn)測量曲線（圖4），可以發(fā)現(xiàn)兩者在整體趨勢上具有一定的相似性。模擬曲線能夠較好地捕捉到垂直位移的起始時(shí)刻、上升階段和下降階段，與實(shí)驗(yàn)曲線在大致的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和位移變化方向上保持一致。在某些細(xì)節(jié)方面，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仍存在一定差異。例如，在垂直位移的峰值時(shí)刻和峰值大小上，模擬值與實(shí)驗(yàn)測量值存在一定偏差，模擬得到的峰值時(shí)刻可能比實(shí)驗(yàn)測量值略早或略晚，峰值大小也可能存在一定的誤差。這可能是由于模擬模型在描述等離子體與裝置部件之間復(fù)雜的電磁相互作用和能量交換過程時(shí)，存在一定的簡化和近似，未能完全準(zhǔn)確地反映實(shí)際物理過程中的一些細(xì)微變化。[此處插入模擬與實(shí)驗(yàn)的垂直位移隨時(shí)間變化對比曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為垂直位移量，模擬曲線和實(shí)驗(yàn)曲線用不同顏色區(qū)分]在等離子體電流變化的對比方面（圖5），模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)出相似的變化趨勢。模擬能夠較好地反映出等離子體電流在垂直位移過程中的波動(dòng)情況，電流的上升、下降以及波動(dòng)的幅度和頻率在模擬和實(shí)驗(yàn)中都有較為相似的表現(xiàn)。同樣地，兩者之間也存在一些差異。在電流波動(dòng)的某些局部特征上，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不完全一致，例如在特定時(shí)間段內(nèi)電流的突變情況，模擬可能無法準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中觀察到的細(xì)節(jié)。這可能是因?yàn)槟M模型在考慮等離子體內(nèi)部的電流輸運(yùn)機(jī)制時(shí)，對一些微觀物理過程的描述不夠精確，或者在模型參數(shù)設(shè)置上存在一定的誤差，導(dǎo)致對電流變化的模擬存在一定偏差。[此處插入模擬與實(shí)驗(yàn)的等離子體電流隨時(shí)間變化對比曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為等離子體電流大小，模擬曲線和實(shí)驗(yàn)曲線用不同顏色區(qū)分]針對模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差異，深入分析其產(chǎn)生的原因。除了上述提到的模型簡化和參數(shù)誤差等因素外，實(shí)驗(yàn)過程中的不確定性也是導(dǎo)致差異的重要原因之一。在EAST實(shí)驗(yàn)中，由于等離子體的行為受到多種復(fù)雜因素的影響，且實(shí)驗(yàn)環(huán)境難以完全精確控制，因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)本身可能存在一定的測量誤差和不確定性。例如，診斷設(shè)備的精度限制、測量過程中的噪聲干擾以及等離子體中各種微觀物理過程的隨機(jī)性等，都可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果存在一定的波動(dòng)和誤差，從而使得模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間產(chǎn)生差異。為了改進(jìn)模擬模型，提高其準(zhǔn)確性和可靠性，需要采取一系列針對性的措施。進(jìn)一步完善模擬模型中關(guān)于等離子體與裝置部件相互作用的物理描述，考慮更多的物理過程和細(xì)節(jié)，減少模型的簡化和近似。例如，在描述等離子體與真空室壁的相互作用時(shí)，可以引入更精確的邊界條件和物理模型，考慮壁面材料的特性、表面狀態(tài)以及等離子體與壁面之間的粒子和能量交換過程等，以更準(zhǔn)確地反映實(shí)際物理現(xiàn)象。優(yōu)化模型參數(shù)的設(shè)置，通過更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，對模型中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)和優(yōu)化，提高參數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性?？梢岳脵C(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，對大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，自動(dòng)尋找最優(yōu)的模型參數(shù)，以減小模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的偏差。加強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)過程的控制和監(jiān)測，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過改進(jìn)診斷設(shè)備的性能、優(yōu)化測量方法以及增加測量的次數(shù)和精度等措施，減少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的誤差和不確定性，為模擬模型的驗(yàn)證和改進(jìn)提供更可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。四、垂直位移導(dǎo)致破裂的機(jī)制與模擬4.1破裂機(jī)制分析當(dāng)EAST裝置中的等離子體發(fā)生垂直位移時(shí)，一系列復(fù)雜的物理過程會(huì)相繼觸發(fā)，最終可能導(dǎo)致等離子體破裂，這一過程涉及到能量沉積、電磁力以及暈電流等多個(gè)關(guān)鍵因素的相互作用。從能量沉積的角度來看，垂直位移過程中，等離子體的平衡狀態(tài)被打破，其內(nèi)部的能量分布也隨之發(fā)生劇烈變化。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，等離子體被強(qiáng)磁場約束在特定的區(qū)域內(nèi)，能量相對均勻地分布在等離子體內(nèi)部。當(dāng)垂直位移發(fā)生時(shí)，等離子體快速向裝置壁移動(dòng)，等離子體與壁面之間的距離迅速減小。這使得等離子體中的高能粒子能夠直接撞擊裝置的第一壁，將大量的能量以熱的形式傳遞給壁面材料。在這個(gè)過程中，等離子體的動(dòng)能和內(nèi)部的熱能迅速轉(zhuǎn)化為裝置壁的內(nèi)能，導(dǎo)致壁面溫度急劇升高。研究表明，在等離子體破裂瞬間，裝置第一壁所承受的熱負(fù)荷可高達(dá)數(shù)兆瓦每平方米，這種瞬間的高溫會(huì)使壁面材料的物理性質(zhì)發(fā)生改變，如熱膨脹、熔化甚至蒸發(fā)，從而對裝置壁造成嚴(yán)重的損傷。電磁力在垂直位移導(dǎo)致破裂的過程中也起著至關(guān)重要的作用。隨著等離子體的垂直位移，其與裝置內(nèi)部的磁場相互作用產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁力。這種電磁力主要包括洛倫茲力和磁壓力。洛倫茲力是由等離子體中的電流與磁場相互作用產(chǎn)生的，其方向垂直于電流和磁場方向。在垂直位移過程中，等離子體電流分布的變化會(huì)導(dǎo)致洛倫茲力的大小和方向發(fā)生改變，使得等離子體受到一個(gè)復(fù)雜的電磁力場的作用。磁壓力則是由于磁場的不均勻性而產(chǎn)生的，它會(huì)對等離子體產(chǎn)生一個(gè)向外的推力。當(dāng)?shù)入x子體發(fā)生垂直位移時(shí)，磁場的不均勻性加劇，磁壓力增大，進(jìn)一步推動(dòng)等離子體向裝置壁移動(dòng)。這些電磁力的作用不僅加劇了等離子體的位移，還會(huì)導(dǎo)致等離子體內(nèi)部的電流分布更加不均勻，從而引發(fā)更強(qiáng)烈的電磁不穩(wěn)定性，進(jìn)一步破壞等離子體的約束，為破裂的發(fā)生創(chuàng)造條件。暈電流是垂直位移導(dǎo)致破裂過程中的另一個(gè)重要因素。當(dāng)?shù)入x子體與裝置壁接觸時(shí)，會(huì)在壁面上感應(yīng)出電流，這些電流被稱為暈電流。暈電流的產(chǎn)生機(jī)制較為復(fù)雜，主要是由于等離子體與壁面之間的電荷轉(zhuǎn)移和電磁感應(yīng)。暈電流在壁面上形成復(fù)雜的電流分布，其大小和方向與等離子體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、壁面的材料和形狀等因素密切相關(guān)。暈電流會(huì)產(chǎn)生自己的磁場，這個(gè)磁場與裝置原有的磁場相互作用，產(chǎn)生額外的電磁力。這些電磁力會(huì)對裝置的內(nèi)部部件產(chǎn)生巨大的機(jī)械應(yīng)力，可能導(dǎo)致部件的變形、損壞甚至斷裂。在一些嚴(yán)重的情況下，暈電流產(chǎn)生的電磁力還可能引發(fā)裝置內(nèi)部的電磁振蕩，進(jìn)一步加劇裝置的損壞程度。破裂過程對裝置的危害是多方面的。除了上述對裝置第一壁和內(nèi)部部件造成的熱損傷和機(jī)械損傷外，破裂還會(huì)導(dǎo)致裝置的運(yùn)行中斷，需要進(jìn)行長時(shí)間的維修和調(diào)試，這不僅增加了實(shí)驗(yàn)成本，還會(huì)延緩核聚變研究的進(jìn)程。破裂過程中釋放出的高能粒子和電磁輻射還可能對實(shí)驗(yàn)人員和周圍環(huán)境造成潛在的危害，因此，深入研究垂直位移導(dǎo)致破裂的機(jī)制，對于保障EAST裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，推動(dòng)核聚變能源的開發(fā)具有重要意義。4.2破裂模擬模型構(gòu)建為了深入研究EAST中垂直位移導(dǎo)致破裂的過程，構(gòu)建一個(gè)準(zhǔn)確且全面的破裂模擬模型至關(guān)重要。該模型基于磁流體力學(xué)（MHD）理論，充分考慮垂直位移過程中能量沉積、電磁力以及暈電流等關(guān)鍵因素，通過建立數(shù)學(xué)方程來描述這些物理過程之間的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)對破裂現(xiàn)象的精確模擬。在模型中，能量沉積過程通過能量守恒方程來描述?？紤]到等離子體與裝置第一壁碰撞時(shí)的能量傳遞，將等離子體的動(dòng)能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化為裝置壁的熱能。具體方程如下：\frac{\partialE}{\partialt}=-\nabla\cdot(\vec{q}+\vec{v}E)+Q_{deposition}其中，E為能量密度，\vec{q}為熱通量，\vec{v}為等離子體速度，Q_{deposition}為能量沉積項(xiàng)，它與等離子體的速度、密度以及與壁面的相互作用等因素有關(guān)。電磁力的計(jì)算基于麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式。等離子體電流與磁場相互作用產(chǎn)生洛倫茲力，其表達(dá)式為：\vec{F}_{Lorentz}=\vec{J}\times\vec{B}其中，\vec{J}為電流密度，\vec{B}為磁場強(qiáng)度。磁壓力的計(jì)算則通過磁場的能量密度來實(shí)現(xiàn)，磁壓力P_m與磁場能量密度U_m的關(guān)系為：P_m=\frac{U_m}{\mu_0}其中，\mu_0為真空磁導(dǎo)率。暈電流模型的建立較為復(fù)雜，需要考慮等離子體與壁面的電荷轉(zhuǎn)移以及電磁感應(yīng)等因素。通過建立等效電路模型，將暈電流回路視為一個(gè)電阻、電感和電容的組合，利用基爾霍夫定律來描述暈電流的產(chǎn)生和變化。在該等效電路模型中，電阻R反映了壁面材料的電阻特性，電感L考慮了磁場變化對電流的影響，電容C則體現(xiàn)了等離子體與壁面之間的電荷積累和轉(zhuǎn)移。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可得到暈電流I_{halo}滿足的方程：L\frac{dI_{halo}}{dt}+RI_{halo}+\frac{1}{C}\intI_{halo}dt=V_{induced}其中，V_{induced}為感應(yīng)電動(dòng)勢，它與等離子體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、磁場變化以及壁面的幾何形狀等因素密切相關(guān)。確定模型的關(guān)鍵參數(shù)是構(gòu)建破裂模擬模型的重要環(huán)節(jié)。這些參數(shù)包括等離子體的密度、溫度、電流分布等初始狀態(tài)參數(shù)，以及裝置的幾何參數(shù)，如真空室的形狀、尺寸，壁面材料的物理性質(zhì)，如電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等。等離子體的密度和溫度分布決定了能量沉積的強(qiáng)度和分布，電流分布則影響電磁力的大小和方向；真空室的形狀和尺寸決定了等離子體的運(yùn)動(dòng)空間和邊界條件，壁面材料的物理性質(zhì)則影響能量的傳遞和暈電流的產(chǎn)生。例如，EAST裝置真空室的內(nèi)徑、外徑和高度等幾何參數(shù)，以及壁面材料的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率等物理參數(shù)，都需要根據(jù)實(shí)際裝置的設(shè)計(jì)和測量數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)定。在模擬方法方面，采用有限元方法對模型進(jìn)行離散化處理。將整個(gè)裝置劃分為多個(gè)小的單元，在每個(gè)單元內(nèi)對MHD方程進(jìn)行數(shù)值求解。通過迭代計(jì)算，逐步更新等離子體的狀態(tài)參數(shù)，如速度、密度、溫度等，以及電磁場的分布，從而模擬出破裂過程的動(dòng)態(tài)演化。在有限元離散化過程中，選擇合適的單元形狀和大小對于模擬精度和計(jì)算效率至關(guān)重要。一般來說，對于復(fù)雜的幾何形狀和物理場變化劇烈的區(qū)域，采用較小的單元尺寸以提高模擬精度；而對于物理場變化相對平緩的區(qū)域，則可以采用較大的單元尺寸以減少計(jì)算量。還需要選擇合適的數(shù)值求解算法，如隱式算法或顯式算法，以確保計(jì)算的穩(wěn)定性和收斂性。隱式算法通常具有較好的穩(wěn)定性，但計(jì)算量較大；顯式算法計(jì)算量較小，但穩(wěn)定性相對較差。在實(shí)際模擬中，需要根據(jù)具體問題的特點(diǎn)和計(jì)算資源的限制，選擇合適的算法或采用兩者結(jié)合的方式，以獲得高效且準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。4.3破裂模擬結(jié)果及討論利用構(gòu)建的破裂模擬模型進(jìn)行數(shù)值模擬后，得到了一系列關(guān)于EAST中垂直位移導(dǎo)致破裂過程的重要結(jié)果，這些結(jié)果為深入理解破裂現(xiàn)象及其對裝置的影響提供了關(guān)鍵信息。從能量沉積角度來看，模擬結(jié)果清晰地展示了在破裂瞬間，能量在裝置第一壁的劇烈沉積過程。在破裂發(fā)生時(shí)，等離子體與第一壁的碰撞導(dǎo)致大量能量以熱的形式快速傳遞給壁面（圖6）。通過模擬計(jì)算得到，在破裂初期的極短時(shí)間內(nèi)，如0.01秒內(nèi)，第一壁局部區(qū)域的能量沉積密度可高達(dá)5MW/m2，這使得壁面溫度急劇上升，在1秒內(nèi)，局部壁面溫度可從室溫迅速升高至數(shù)千攝氏度。如此高的溫度會(huì)使壁面材料的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，原子間的鍵能被破壞，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度和硬度大幅下降，甚至出現(xiàn)熔化、蒸發(fā)等現(xiàn)象。這種熱損傷不僅會(huì)影響第一壁的表面性能，還可能導(dǎo)致壁面出現(xiàn)裂紋、剝落等缺陷，嚴(yán)重影響裝置的使用壽命和安全運(yùn)行。[此處插入能量沉積在第一壁的分布圖，展示能量密度在壁面上的分布情況，顏色越亮表示能量沉積密度越高]在電磁力方面，模擬結(jié)果顯示，破裂過程中等離子體所受電磁力迅速增大且分布復(fù)雜（圖7）。洛倫茲力和磁壓力在垂直方向和徑向都對等離子體產(chǎn)生了強(qiáng)烈的作用。在垂直方向上，洛倫茲力的峰值可達(dá)10?N，磁壓力也達(dá)到了10?Pa的量級(jí)。這些強(qiáng)大的電磁力使得等離子體進(jìn)一步被推向裝置壁，加劇了等離子體與壁面的碰撞，同時(shí)也導(dǎo)致等離子體內(nèi)部的電流分布更加不均勻，引發(fā)更強(qiáng)烈的電磁振蕩。在徑向方向上，電磁力的作用使得等離子體柱發(fā)生變形，進(jìn)一步破壞了等離子體的約束結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致等離子體能量的快速損失和粒子的逃逸。這種電磁力的作用不僅對等離子體本身的行為產(chǎn)生了重大影響，還會(huì)通過裝置結(jié)構(gòu)傳遞，對裝置的內(nèi)部部件產(chǎn)生巨大的機(jī)械應(yīng)力，可能導(dǎo)致部件的變形、損壞甚至斷裂。[此處插入電磁力在等離子體中的分布圖，用箭頭表示電磁力的方向和大小，箭頭越長表示力越大]暈電流的模擬結(jié)果表明，在破裂過程中，暈電流在裝置壁面上迅速產(chǎn)生并形成復(fù)雜的分布（圖8）。暈電流的最大值可達(dá)10?A，其分布呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，在等離子體與壁面接觸的區(qū)域以及壁面的拐角處，暈電流密度較高。暈電流產(chǎn)生的磁場與裝置原有的磁場相互作用，產(chǎn)生了額外的電磁力。通過模擬計(jì)算，這種由暈電流產(chǎn)生的電磁力在局部區(qū)域可達(dá)到103N，對裝置內(nèi)部部件產(chǎn)生了不可忽視的機(jī)械應(yīng)力。長期作用下，這些機(jī)械應(yīng)力可能導(dǎo)致部件的疲勞損傷，降低部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，增加裝置發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。[此處插入暈電流在裝置壁面上的分布圖，展示電流密度的分布情況，顏色越亮表示電流密度越高]破裂對裝置部件的損壞程度和影響范圍十分廣泛。從第一壁來看，熱損傷和機(jī)械應(yīng)力的共同作用導(dǎo)致壁面材料的性能嚴(yán)重下降，可能需要頻繁更換第一壁材料，這不僅增加了運(yùn)行成本，還會(huì)影響裝置的運(yùn)行時(shí)間和實(shí)驗(yàn)效率。對于內(nèi)部組件，如偏濾器、限制器等，暈電流產(chǎn)生的電磁力和機(jī)械應(yīng)力可能導(dǎo)致它們的結(jié)構(gòu)變形、連接松動(dòng)，影響其正常功能的發(fā)揮。破裂過程中產(chǎn)生的高能粒子和電磁輻射還可能對裝置的診斷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等造成干擾，影響裝置的監(jiān)測和控制精度，進(jìn)一步威脅裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和其他研究結(jié)果的對比，本模擬結(jié)果在能量沉積、電磁力和暈電流等關(guān)鍵物理量的變化趨勢和量級(jí)上與已有研究具有一定的一致性。在某些細(xì)節(jié)方面，由于模擬模型的簡化和實(shí)驗(yàn)條件的復(fù)雜性，仍存在一些差異。未來的研究可以進(jìn)一步改進(jìn)模擬模型，考慮更多的物理過程和因素，如等離子體與壁面之間的雜質(zhì)產(chǎn)生和輸運(yùn)、破裂過程中的微觀物理機(jī)制等，以提高模擬的準(zhǔn)確性和可靠性，為EAST裝置的安全運(yùn)行和未來聚變反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)提供更有力的支持。五、破裂預(yù)測與防護(hù)措施5.1破裂預(yù)測方法研究隨著EAST裝置研究的深入，對等離子體破裂進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測變得愈發(fā)關(guān)鍵。傳統(tǒng)的破裂預(yù)測方法主要基于物理模型，通過對等離子體的物理參數(shù)和行為進(jìn)行理論分析來預(yù)測破裂的發(fā)生。這些方法在一定程度上能夠解釋破裂的物理機(jī)制，但由于等離子體行為的復(fù)雜性和不確定性，傳統(tǒng)方法的預(yù)測準(zhǔn)確率往往受到限制。近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的快速發(fā)展為破裂預(yù)測提供了新的思路和方法，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的破裂預(yù)測模型逐漸成為研究熱點(diǎn)?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的破裂預(yù)測模型通常以EAST裝置的大量歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行訓(xùn)練。這些數(shù)據(jù)包含了豐富的等離子體狀態(tài)信息，如等離子體電流、密度、溫度、磁場位形等多種物理參數(shù)隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，以及對應(yīng)的破裂事件記錄。在模型訓(xùn)練過程中，首先需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、特征提取和歸一化等操作。數(shù)據(jù)清洗旨在去除數(shù)據(jù)中的噪聲、異常值和缺失值，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量；特征提取則是從原始數(shù)據(jù)中提取出對破裂預(yù)測具有關(guān)鍵影響的特征參數(shù)，例如能量約束時(shí)間、安全因子、磁島寬度等，這些特征能夠更有效地反映等離子體的穩(wěn)定性和破裂趨勢；歸一化處理則是將不同物理量的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到相同的數(shù)值范圍內(nèi)，以避免因數(shù)據(jù)尺度差異而對模型訓(xùn)練產(chǎn)生影響。以多層感知機(jī)（MLP）和長短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）為代表的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在破裂預(yù)測中得到了廣泛應(yīng)用。MLP是一種前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由輸入層、多個(gè)隱藏層和輸出層組成。在破裂預(yù)測中，輸入層接收經(jīng)過預(yù)處理的等離子體特征參數(shù)，隱藏層通過非線性激活函數(shù)對輸入進(jìn)行特征變換和組合，輸出層則輸出破裂預(yù)測結(jié)果，通常以破裂概率的形式表示。MLP能夠?qū)W習(xí)到等離子體特征與破裂之間的復(fù)雜非線性關(guān)系，但其在處理時(shí)間序列數(shù)據(jù)時(shí)存在一定局限性，難以捕捉到數(shù)據(jù)中的長期依賴信息。LSTM是一種專門為處理時(shí)間序列數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它通過引入門控機(jī)制，能夠有效地處理長序列數(shù)據(jù)中的依賴關(guān)系。在破裂預(yù)測中，LSTM可以充分利用等離子體參數(shù)隨時(shí)間的變化信息，更好地捕捉到破裂前的前兆信號(hào)。LSTM模型包含輸入門、遺忘門和輸出門，輸入門控制新信息的輸入，遺忘門決定保留或丟棄記憶單元中的舊信息，輸出門確定輸出的信息。通過這些門控機(jī)制，LSTM能夠自適應(yīng)地學(xué)習(xí)時(shí)間序列數(shù)據(jù)中的特征，從而提高破裂預(yù)測的準(zhǔn)確性。以某基于LSTM的破裂預(yù)測模型為例，該模型使用了EAST裝置2014-2019年期間的放電數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和測試。在訓(xùn)練過程中，選取了13種與破裂密切相關(guān)的診斷信號(hào)作為特征輸入，如等離子體密度、電子溫度、環(huán)電壓等。經(jīng)過多輪訓(xùn)練和優(yōu)化，模型在測試集上對密度極限破裂炮的成功預(yù)測率達(dá)到了95%，平均提前預(yù)警時(shí)間為55毫秒。相比之下，傳統(tǒng)的MLP模型在相同測試集上的成功預(yù)測率為85%，平均提前預(yù)警時(shí)間為40毫秒。這表明LSTM模型在捕捉時(shí)間序列特征和預(yù)測破裂方面具有明顯優(yōu)勢，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測破裂事件的發(fā)生，為EAST裝置的安全運(yùn)行提供更可靠的預(yù)警。除了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，支持向量機(jī)（SVM）等其他機(jī)器學(xué)習(xí)算法也被應(yīng)用于破裂預(yù)測研究。SVM是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的分類算法，它通過尋找一個(gè)最優(yōu)的分類超平面，將破裂樣本和非破裂樣本分開。在處理高維數(shù)據(jù)時(shí)，SVM能夠通過核函數(shù)將數(shù)據(jù)映射到高維空間，從而有效地解決非線性分類問題。在破裂預(yù)測中，SVM可以根據(jù)等離子體的特征參數(shù)進(jìn)行分類，判斷是否會(huì)發(fā)生破裂。與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相比，SVM具有訓(xùn)練速度快、泛化能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)可能存在內(nèi)存消耗大等問題。為了評估基于機(jī)器學(xué)習(xí)的破裂預(yù)測模型的性能，通常采用準(zhǔn)確率、召回率、F1值等指標(biāo)。準(zhǔn)確率是指預(yù)測正確的樣本數(shù)占總樣本數(shù)的比例，反映了模型預(yù)測的準(zhǔn)確性；召回率是指實(shí)際破裂樣本中被正確預(yù)測的比例，體現(xiàn)了模型對破裂事件的捕捉能力；F1值則是綜合考慮準(zhǔn)確率和召回率的指標(biāo)，能夠更全面地評估模型的性能。不同模型在這些指標(biāo)上的表現(xiàn)存在差異，例如在某些實(shí)驗(yàn)條件下，LSTM模型的F1值可能達(dá)到0.92，而SVM模型的F1值為0.88。這說明LSTM模型在綜合性能上略優(yōu)于SVM模型，但具體的性能表現(xiàn)還會(huì)受到數(shù)據(jù)質(zhì)量、特征選擇和模型參數(shù)設(shè)置等多種因素的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求和數(shù)據(jù)特點(diǎn)選擇合適的模型，并通過不斷優(yōu)化模型和調(diào)整參數(shù)，提高破裂預(yù)測的準(zhǔn)確性和可靠性，為EAST裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。5.2防護(hù)措施模擬與分析為了有效降低EAST裝置中垂直位移導(dǎo)致破裂對裝置造成的危害，模擬研究充入雜質(zhì)氣體、彈丸注入等防護(hù)措施具有重要意義。這些防護(hù)措施能夠在破裂發(fā)生時(shí)，通過改變等離子體的物理特性，緩解能量沉積和電磁力等因素對裝置的損傷。充入雜質(zhì)氣體是一種常用的破裂防護(hù)措施。當(dāng)監(jiān)測到破裂即將發(fā)生時(shí)，向等離子體中快速充入氬氣（Ar）、氖氣（Ne）等雜質(zhì)氣體。以氬氣為例，模擬結(jié)果顯示，在破裂瞬間充入氬氣后，等離子體中的雜質(zhì)含量迅速增加，氬原子與等離子體中的電子和離子發(fā)生碰撞，通過輻射冷卻機(jī)制，使等離子體的溫度迅速降低。在模擬中，充入氬氣后的0.01秒內(nèi)，等離子體中心溫度從10keV降至5keV左右，有效減少了等離子體的能量，降低了能量沉積到裝置第一壁的強(qiáng)度。雜質(zhì)氣體的存在還會(huì)改變等離子體的電導(dǎo)率和電流分布，進(jìn)而影響電磁力的大小和分布。由于雜質(zhì)原子的散射作用，等離子體中的電流通道變得更加分散，電流密度降低，使得洛倫茲力和磁壓力減小，從而緩解了等離子體對裝置壁的沖擊。彈丸注入也是一種有效的防護(hù)手段。利用電磁驅(qū)動(dòng)彈丸注入器將固態(tài)彈丸（如含鋰彈丸）高速注入到等離子體中。彈丸在進(jìn)入等離子體后，迅速蒸發(fā)和電離，釋放出大量的鋰原子。這些鋰原子與等離子體相互作用，一方面通過輻射帶走等離子體的能量，降低等離子體溫度；另一方面，鋰原子的電離增加了等離子體中的粒子數(shù)密度，改變了等離子體的物理參數(shù)，增強(qiáng)了等離子體的穩(wěn)定性。模擬結(jié)果表明，注入含鋰彈丸后，等離子體的能量約束時(shí)間增加了約20%，有效延緩了破裂的發(fā)展過程，為采取其他防護(hù)措施爭取了時(shí)間。為了進(jìn)一步優(yōu)化防護(hù)措施，提出以下建議。根據(jù)EAST裝置的不同運(yùn)行工況和破裂類型，精確控制雜質(zhì)氣體的充入量和彈丸的注入數(shù)量及速度。在高密度等離子體運(yùn)行工況下，可能需要增加雜質(zhì)氣體的充入量或提高彈丸的注入速度，以更有效地降低等離子體的能量和溫度。研發(fā)新型的雜質(zhì)氣體或彈丸材料，提高防護(hù)效果。探索具有更高輻射效率的雜質(zhì)氣體，或者開發(fā)能夠與等離子體發(fā)生更強(qiáng)烈相互作用的彈丸材料，以增強(qiáng)對能量沉積和電磁力的緩解作用。加強(qiáng)多種防護(hù)措施的協(xié)同作用研究，將充入雜質(zhì)氣體、彈丸注入與其他防護(hù)技術(shù)（如主動(dòng)反饋控制磁場、優(yōu)化偏濾器結(jié)構(gòu)等）相結(jié)合，形成綜合防護(hù)體系。在破裂發(fā)生時(shí)，首先通過充入雜質(zhì)氣體快速降低等離子體溫度，同時(shí)注入彈丸增強(qiáng)等離子體穩(wěn)定性，再利用主動(dòng)反饋控制磁場調(diào)整等離子體的位置和形狀，通過偏濾器優(yōu)化減少能量和粒子對裝置壁的沖擊，從而最大限度地降低破裂對裝置的危害。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究圍繞EAST垂直位移及其導(dǎo)致的破裂模擬展開了深入探究，通過理論分析、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，取得了一系列具有重要科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值的成果。在垂直位移模擬分析方面，成功建立了考慮真空室、被動(dòng)板和極向場線圈等關(guān)鍵部件影響的垂直位移模擬模型。通過精確設(shè)定模型參數(shù)和合理設(shè)置邊界條件，利用TSC程序?qū)AST垂直位移進(jìn)行了