佳拉洁雅型磁约束装置中等离子体粒子输运研究

【摘要】：佳拉洁雅型（Galatea）磁约束装置是一种小型研究磁约束受控核聚变装置。它的特点是用于产生强磁场的载流导体浸没在等离子体中，在这里载流导体被称作“盲鳗”（myxine）。与其它类型的磁约束装置相比，佳拉洁雅装置具有体积小、结构简单、可控性好、能很好抑制等离子体的对流不稳定性等优点。这种类型的磁约束装置最初是由前苏联科学家提出，并一直被俄罗斯国内科学家研究至今，在我们国内还几乎没人研究。本文的研究对象是具有三个盲鳗结构的佳拉洁雅系统，称为Trimyx。通过理论分析和数值计算，分析了装置中磁系统的电磁场分布，等离子体在等离子体通道和磁阱（magnetic trap）中的运动图景，并从磁镜场和磁场两个角度分别分析其对等离子体通道（plasma guide）和磁阱中的等离子体运动影响，最后给出优化方案。 本文首先系统地介绍了佳拉洁雅型磁约束装置的各个部分组成，目前实验室状态的各个设计参数，并对各个部分所要实现的功能以及它的工作原理作一般性研究；介绍了等离子体物理学中常用的三种等离子体描述模型，给出了每一个模型的优缺点以及它们的适用条件。 其次分析了三盲鳗的佳拉洁雅型磁约束装置中等离子体通道和磁阱中的磁场分布。首先通过对单个线圈模型分析进而对等离子体通道进行简化，给出简化后的等离子体通道模型，通过数值计算软件计算其磁场分布，将通道中的磁场划分为两种类型；给出了在现有参数下，等离子体通道中的磁场分布图景；对等离子体在通道和磁阱中的宏观运动加以分析。 分析了等离子体通道中磁镜场对等离子体运动的影响。用单粒子运动模型分析粒子在均匀磁场和磁镜场中的运动，分析磁镜比参数的变化对磁场位形(magnetic field configuration）和等离子体运动的影响。最后分析了在存在磁场梯度时等离子体的运动和漂移，从等离子体的扩散率角度分析了在磁阱中磁场梯度对等离子体运动的影响，从而对磁阱线圈的运行参数进行优化。