Force-free plasmas are a good approximation where the plasma pressure is tiny compared with the magnetic pressure, which is the case during the cold vertical displacement event (VDE) of a major disruption in a tokamak. On time scales long compared with the transit time of Alfven waves, the evolution of a force-free plasma is most efficiently described by the quasi-static magnetohydrodynamic (MHD) model, which ignores the plasma inertia. Here we consider a regularized quasi-static MHD model for force-free plasmas in tokamak disruptions and propose a mimetic finite difference (MFD) algorithm. The full geometry of an ITER-like tokamak reactor is treated, with a blanket module region, a vacuum vessel region, and the plasma region. Specifically, we develop a parallel, fully implicit, and scalable MFD solver based on PETSc and its DMStag data structure for the discretization of the five-field quasi-static perpendicular plasma dynamics model on a 3D structured mesh. The MFD spatial discretization is coupled with a fully implicit DIRK scheme. The algorithm exactly preserves the divergence-free condition of the magnetic field under the resistive Ohm's law. The preconditioner employed is a four-level fieldsplit preconditioner, which is created by combining separate preconditioners for individual fields, that calls multigrid or direct solvers for sub-blocks or exact factorization on the separate fields. The numerical results confirm the divergence-free constraint is strongly satisfied and demonstrate the performance of the fieldsplit preconditioner and overall algorithm. The simulation of ITER VDE cases over the actual plasma current diffusion time is also presented.


翻译:力自由等离子体是一种很好的近似,其中等离子体压强远小于磁压强,这种情况在托卡马克主干扰时的冷垂直位移事件中很常见。在比阿尔芬波时间比长得多的时间尺度上,力自由等离子体的演化最有效地由准静态磁流体力学(MHD)模型描述,该模型忽略了等离子体的惯性。在此,我们考虑一个用于托卡马克干扰中力自由等离子体的正则化准静态MHD模型,并提出了一个拟态有限差分(MFD)算法。我们处理了类似于ITER的托卡马克反应堆的完整几何结构,包括庇护模块区域、真空容器区域和等离子体区域。具体来说,我们基于PETSc及其DMStag数据结构开发了一个并行、完全隐式和可扩展的MFD求解器,用于在3D结构网格上离散化五场准静态垂直等离子体动力学模型。MFD空间离散化与完全隐式DIRK方案相耦合。该算法在可抵抗电阻欧姆定律下完全保持了磁场的无量纲条件。使用的预处理器是一个四级Fieldsplit预处理器,它通过结合单个Field的独立预处理器来创建,对于子块调用多网格或直接求解器,或对独立字段进行精确因式分解。数值结果确认了无量纲限制被强烈满足,并演示了Fieldsplit预处理器和整体算法的性能。还呈现了在实际等离子体电流扩散时间内模拟ITER VDE案例的结果。

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