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Theoretical study of pre-ionization by inductive field in tokamaks

机译：托卡马克中感应场预电离的理论研究

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摘要

A one-dimensional fluid model is developed for a numerical study of pre-ionization in a tokamak device under a given external inductive field. The calculation space is a magnetic field line connecting the bottom and the top limiters, and the spatial profiles of ion and electron densities and their time evolutions are calculated, assuming density growth by the Townsend avalanche. It was found that at a low initial density, electrons are evacuated and exponential growth can be stopped (i.e. stagnation phase), and at a high density, formation of an ambipolar diffusion state may suppress further avalanche by compensating the external inductive field. The numerical study revealed that these two obstacles for pre-ionization can be avoided or mitigated under a certain condition. A high ion impact secondary electron emission efficiency at the limiter, a long field line length and a large Townsend's coefficient are preferable to avoid the stagnation phase or to resume growth from the stagnation phase. The ambipolar diffusion state can be mitigated or avoided using the following four mechanisms: E x B drift induced diffusion, ▽B and curvature drifts, a high ion impact secondary electron emission efficiency and AC inductive field. Among them, only the first is practically useful in weak inductive field large devices. Various analytical expressions describing these behaviors and the conditions for a successful pre-ionization are obtained.
机译：针对给定外部感应场下托卡马克装置中预电离的数值研究，开发了一维流体模型。计算空间是一条连接上下限幅器的磁场线，并假设汤森雪崩导致密度增长，从而计算了离子和电子密度的空间分布及其时间演变。已经发现，在低的初始密度下，电子被抽空并且可以停止指数生长（即停滞相），并且在高的密度下，双极性扩散态的形成可以通过补偿外部感应场来抑制进一步的雪崩。数值研究表明，在一定条件下可以避免或缓解这两个阻碍电离的障碍。为了避免停滞阶段或从停滞阶段恢复生长，优选在限制器处具有高离子冲击二次电子发射效率，长的场线长度和大的汤森德系数。可以使用以下四个机制来缓解或避免双极性扩散状态：E x B漂移引起的扩散，▽B和曲率漂移，高离子冲击二次电子发射效率和AC感应场。在它们之中，只有第一个在弱感应大型设备中实际上有用。获得了描述这些行为以及成功进行预电离的条件的各种分析表达式。

著录项

  • 来源
    《Nuclear fusion》 |2020年第3期|036015 (22pp).1-036015 (22pp).22|共22页
  • 作者

  • 作者单位

    The University of Tokyo Kashiwa 277-8561 Japan;

    Kyushu Tokai University Kumamoto 862-8652 Japan;

  • 收录信息 美国《科学引文索引》(SCI);美国《工程索引》(EI);美国《生物学医学文摘》(MEDLINE);
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 eng
  • 中图分类
  • 关键词

    pre-ionization; tokamak breakdown; townsend avalanche; ambipolar diffusion;

    机译：预电离托卡马克故障;汤森雪崩;双极扩散;

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