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SUNIST球形托卡马克磁流体力学平衡反演和不稳定性研究

曾龙  
【摘要】:在SUNIST上实现磁面平衡反演和开展磁流体力学研究对SUNIST等离子体物理研究具有重要意义。论文在SUNIST上建立了一套磁诊断系统,并以此为基础实现了磁面平衡反演和磁扰动模式分析,对SUNIST欧姆放电的平衡及磁流体不稳定性特性进行了研究,并探讨了内部磁重连事件(IRE)的物理机制。 设计、制作和安装SUNIST磁诊断系统是本文工作的第一部分,也是其余研究工作的基础。设计以等离子体平衡反演为基础,并考虑了SUNIST真空室特点、探针尺寸、真空室真空度及等离子体可能造成的损害等因素。SUNIST磁诊断系统包括15枚极向磁探针、6枚环向磁探针、13个单匝环、1个罗科线圈和1个逆磁线圈。标定结果显示,磁诊断信号能够满足SUNIST相关实验需求。 基于EFIT算法,论文发展了适用于SUNIST装置的平衡反演程序SU-EFIT,研究了SUNIST放电中平衡磁面及相关参数的演化。平衡的SUNIST等离子体具有大拉长形变(κ~1.7)和顺磁性(βp~0.08),但由于垂直场与等离子体电流的强耦合及对垂直场控制能力不足,在SUNIST放电中,等离子体在真空室外侧产生,并随时间一直向内侧移动,最终在中心柱附近熄灭。特别地,在反演过程中考虑了真空室涡流对等离子体平衡的影响。SUNIST真空室由于存在环向和极向隔缝,感应的涡流对等离子体影响比不存在隔缝时小,但仍然不可忽视。 利用奇异值分解方法,论文还发展了SUNIST上的磁扰动模式分析程序SU-MHD,并对SUNIST放电过程中磁扰动模式的演化进行了研究。结果显示,极向磁扰动模数从高到低逐步依次减小,分别为m =5, m =4, m =3和m =2,环向磁扰动模数均为n =1模。IRE是SUNIST放电中观察到的一种实验现象。IRE发生时,等离子体电流出现5%的正尖峰,磁扰动信号明显增强。IRE发生前,等离子体扰动模式为m =2 / n =1,扰动频率为10kHz;IRE发生过程中,扰动模式增加到m =4 / n =1,扰动频率低于1kHz;IRE结束以后,扰动模式减少到m =3 / n =1,扰动频率低于1kHz。磁面反演结果显示,在IRE发生过程中,等离子体拉长比增加,极向比压减小,等离子体压强分布经历了一个峰化—平坦—再峰化的过程,表明SUNIST中的IRE现象体现出等离子体压强梯度驱动的迹象。


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