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托卡马克中等离子体电阻和等离子体流对内扭曲模影响的数值研究

武婷婷  
【摘要】:在托卡马克等离子体中,内扭曲模是一种发生在q=1磁面上的特殊扭曲模。内扭曲模不稳定性的理论、模拟和实验研究是磁约束聚变等离子体中一个重要的研究领域。在托卡马克放电过程中,当环向等离子体电流扩散到等离子体中心,芯部安全因子q0减小。当芯部安全因子q01时,等离子体中n=1的内扭曲模不稳定。ITER的标准运行方案为边缘局域高约束模式,其特征之一是磁面q因子径向向外单调上升,且芯部安全因子q01。因此研究内扭曲模的稳定性对未来ITER的运行具有重要的指导意义。内扭曲模与托卡马克等离子体中的鱼骨模和锯齿活动有关,这些不稳定模式对等离子体宏观约束有很大影响。因此,需要更好地理解内扭曲模的物理机理。本文主要研究托卡马克等离子体中的内扭曲模不稳定性,全文安排如下:第一章简要介绍了磁约束核聚变研究的背景、意义和目前最有前景的磁约束核聚变装置——托卡马克,列出了目前正在运行和建造中的主要托卡马克装置及其运行参数,简要回顾了内扭曲模、鱼骨模和锯齿的研究现状。第二章简要介绍了 CHEASE和MARS两个程序。CHEASE程序求解托卡马克等离子体平衡满足的固定边界Grad-Shafranov方程,为MARS等其它程序提供平衡位形。针对托卡马克环几何位形,MARS程序有几个不同的版本。MARS-F程序求解线性化磁流体方程、MARS-K程序求解线性化磁流体-动理学混合方程,数值研究托卡马克等离子体中扭曲模和电阻壁模等宏观磁流体稳定性。第三章利用MARS-K程序,数值研究了托卡马克等离子体中高能粒子和等离子体电阻对环向模数n=1的内扭曲模和鱼骨模的影响。结果表明,高能粒子是稳定还是解稳理想内扭曲模,取决于高能粒子的密度和压强的径向分布。在研究电阻鱼骨模的过程中考虑了存在理想导体壁和不存在理想导体壁两种情形。如果等离子体中理想内扭曲模是稳定的,这时考虑等离子体电阻和高能粒子的作用,会导致两个不稳定分支:一支是电阻内扭曲模,另一支是电阻鱼骨模。无论理想内扭曲模被理想导体壁稳定,还是由于低于Bussac压力极限而稳定,这两支不稳定模式行为类似。在实际的环形等离子体中,电阻内扭曲模是主要的不稳定性,它比电阻鱼骨模增长速率更快。等离子体电阻不能稳定电阻内扭曲模,但能稳定电阻鱼骨模。第四章利用MARS-K程序,数值研究了等离子体剪切环向流和热粒子漂移动理学效应对内扭曲模不稳定性的影响。当等离子体流为次声速量级时,等离子体流和流剪切对内扭曲模的影响较弱,但动理学效应很强。根据等离子体流体理论,当模式不是非常不稳定时,通过包含热粒子漂移贡献的非扰动MHD-动理学混合模型计算,发现模式的增长率将显著降低。剪切环向流的稳定与否取决于局部流剪切的径向位置,当负剪切靠近q=1的有理面时,负剪切环向流有强解稳作用,而当正剪切靠近q=1的有理面时,正剪切环向流有强稳定作用。第五章利用MARS-F程序,数值研究了平行流或极向流以及流剪切对环向旋转等离子体中内扭曲模不稳定性的影响。这些等离子体流之间的重要区别是,一维背景环向流的频率关于极向角对称,而增加的平行流的极向投影和环形投影都是等离子体小半径和极向角的函数。结果表明,平行流一般对内扭曲模的稳定性影响不大,但是如果一维环向流的频率固定,负剪切平行流有强的解稳作用。平行流的极向投影和环向投影具有较强的解稳作用,与均匀平行流的环向投影和极向投影相比,剪切平行流对内扭曲模的解稳效应略有减弱。第六章对全文进行了总结,并对今后的工作进行了展望。


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