TQ（热猝灭）

什么是TQ

等离子体破裂是磁约束聚变装置运行过程中面临的最严重挑战之一，它是指高温等离子体在极短时间内失去磁约束的灾难性事件。破裂过程通常分为热猝灭（Thermal Quench, TQ）和电流猝灭 （Current Quench, CQ）两个主要阶段

在托卡马克装置中，热猝灭通常由多种物理机制触发，包括杂质累积导致的辐射冷却、磁流体力学 （MHD）不稳定性增长、以及等离子体 - 壁面相互作用等。一旦热猝灭发生，等离子体的能量约束时间会降低两个数量级以上，等离子体电流也会在随后的电流猝灭阶段快速衰减。

诊断方式

• 磁诊断：利用电磁感应定律与霍尔效应，通过探测等离子体运动产生的磁场信号反推其宏观状态，可以推出等离子体电流、磁场轮廓、MHD 不稳定性等信息。

• SXR：通过测量波长 0.1~10nm 的软 X 射线信号，间接获取电子温度、密度 及杂质分布。

• ECE：基于等离子体中相对论性电子的回旋共振辐射机制，直接测量电子温度轮廓与磁场分布。

Experimental Measurements of the Current, Temperature, and Density Profile Changes during a Disruption in the DIII-D Tokamak

破裂方式：通过注入杂质气体（氩气）强制引发辐射坍缩破裂，注入持续时间为 40ms，气体量为2 Torr l 。注入后约 60 ms 发生破裂

热猝灭：

• 前兆：随着气体注入和辐射功率增加，旋转的n=1模式会固定（锁模）并在热猝灭开始前2ms增长；n=1锁模的增长破坏了等离子体的磁约束稳定性，为热猝灭的能量快速流失创造了条件。

  该锁定模式在能量损失期间（如2.035–2.039s）强度较大，之后减弱以允许再加热发生，在最终热猝灭期间又快速增长并引发电流猝灭。

• 初始热猝灭：热猝灭始于特定时刻（放电81167中为2.035s），此阶段大部分（约75%）储存能量在5ms内损失。

  等离子体位形变化较小：此阶段能量流失主要集中于等离子体内部，未引发磁场拓扑的显著重构

  温度变化：热猝灭开始时中心软X射线信号骤降，最后闭合磁通量面内温度下降，冷边缘区域因高辐射变得明显（如2.036s时），2ms后中心温度从初始4keV降至600eV。 安全因子与电流剖面：中心安全因子在热猝灭开始前略高于1，开始后降至1以下，此阶段电流剖面相对无变化。

• 再加热：初始热猝灭后，中心等离子体会出现再加热，如2.039s时中心开始再加热，2.0424s时中心温度接近1keV，同时内部电感Li增加，导致电流剖面峰值化。

• 最终热猝灭：再加热后发生更快速的最终热猝灭（放电81167中为2.044s），剩余能量在≤1ms内快速损失；最终热猝灭中期（2.0444s）温度骤降至约300eV，电流猝灭开始后（2.0464s）温度进一步低于100eV。

在接近热猝灭期间中心储存能量最小值且中心再加热开始前（2.0384s），温度随位置大幅变化，表明等离子体可能处于随机状态，此现象在最终热猝灭期间（2.0444s）也有出现但程度较轻。

密度剖面变化：

• 热猝灭期间密度剖面在边缘形成峰值，中心密度下降近50%，部分抵消边缘密度的增加，且边缘密度在电流猝灭开始时仍保持较高水平。约束减弱，中心离子向边缘扩散，但由于未显著破坏粒子约束（约束边界未破裂），扩散至边缘的粒子在此累积，最终形成 “边缘密度峰值”。

• 粒子总数在初始热猝灭期间（2.035–2.039s）增加15%，再加热期间减少至初始值的70%，从最终热猝灭到电流猝灭开始又增加至初始值的80%；

• 热猝灭的两个能量损失阶段（2.0364–2.0384s和2.0444s），SOL层(r/a>1)中温度和密度显著增加，大部分区域密度增加一倍；电流猝灭开始后（2.0464s），温度和密度剖面变宽，分界面外侧形成大范围等离子体区域。

Staged cooling of a fusion-grade plasma in a tokamak thermal quench

热猝灭四个阶段：

• 前驱阶段：从初始温度降至 0.6 倍初始温度左右。

• 冷却流阶段：主要温度下降阶段T2​≈0.04T0

• 过渡阶段：温度小幅波动，无显著冷却 / 加热

• 碰撞冷却阶段：冷却速率显著放缓

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