Disruption forces on the tokamak wall with and without poloidal currents

Abstract

The contributions into the disruption radial force on the tokamak vacuum vessel wall are calculated and analyzed. One is due to the induced toroidal current in the wall, and another is due to the poloidal current. The latter is not accounted for in the models that represent the wall as a set of isolated toroidal filaments. It is shown that such modeling must lead to significant errors in the evaluation of the force during either thermal or current quench. The analytical derivations are performed here for an arbitrary tokamak configuration with final estimates for a circular largeaspect-ratio plasma and a coaxial wall reacting on perturbations as a perfect conductor. The results are compared with those recently obtained numerically by the codes DINA, MAXFEA and CarMa0NL. The discrepancies between the DINA simulations (Khayrutdinov et al 2016 Plasma Phys. Control. Fusion 58 115012) and earlier analytical predictions are explained. The recent conclusion (Villone et al 2015 Fusion Eng. Des. 93 57) on the role of the disruptioninduced poloidal current in the wall is confirmed and extended to a wider area.

Analysis of Electromagnetic Forces in Tokamak Vacuum Chamber Due to Induced Poloidal Current After Thermal Quench

“…с 1,2 МН от тороидального тока до ~0,4 МН от суммы тороидального и полоидального токов. Вывод о заметном влиянии индуцированного в вакуумной стенке в процессе TQ полоидального тока полностью согласуется с результатами других исследований [11][12][13][14]. Например, в работах [11,13] аналитически получено, что учёт индуцированного в процессе TQ полоидального тока в вакуумной камере токамака с круглой плазмой и большим аспектным отношением снижает интегральную электромагнитную радиальную силу в 2 раза по сравнению с силой только от индуцированного тороидального тока.…”

“…Это объясняется более низкой по сравнению с токамаком ИТЭР величиной тороидального магнитного поля в токамаке Т-15МД. Полученные результаты подтверждают выводы более ранних работ [11][12][13][14] о роли полоидального тока в величине электромагнитной нагрузки на вакуумную стенку, но существенно расходятся с ними количественно. По результатам нашей работы радиальная сила на вакуумную камеру при учёте полоидального тока в ней уменьшается в 10 раз, тогда как по результатам работы [12] это уменьшение значительно ниже -в 2 раза.…”

“…Кроме тороидальных токов в результате TQ, в процессе которого плазма становится парамагнитной с соответствующим подъёмом тороидального магнитного потока в ней, в вакуумной камере индуцируется полоидальный ток, компенсирующий такой подъём и оказывающий вклад в величину электромагнитного воздействия на вакуумную камеру. Роль полоидального тока в стенке анализируется аналитически в [11][12][13] и численно в [14].…”

Analysis of Electromagnetic Loads on the Vacuum Vessel during Thermal Quench in the TRT Tokamak

“…In a similar formulation, the disruption-induced wall forces were considered analytically in [23][24][25][26] for the plasma and wall with circular cross sections. Here, the plasma and wall are vertically elongated, but it can be expected that the main dependencies found in [23][24][25][26] should also manifest themselves in our case too [22,31,32].…”

“…In this work, the electromagnetic forces acting on the vacuum vessel wall are calculated, which can arise in the early stage of disruption in the TRT tokamak. The analysis is based on the calculations by the DINA code [20][21][22] and comparison with the recent theoretical predictions [23][24][25][26]. One of them was that, in tokamaks, a strong radial force on the vacuum vessel wall, (1) where is the current density and , can be produced by the thermal quench (TQ) only even before the start of the current quench (CQ).…”