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外加共振螺旋场影响撕裂模与粒子输运的机理研究

胡启明  
【摘要】:外加螺旋场在托卡马克等离子体中具有重要的作用。一方面,利用外加螺旋场可以控制撕裂模等宏观磁流体不稳定性(如:边界局域模、新经典撕裂模、电阻壁模等),提高等离子体约束性能,获得稳定运行的聚变等离子体。另一方面,外加螺旋场的作用会影响等离子体约束,特别是粒子约束。因此,系统的研究和理解外加螺旋场对撕裂模不稳定性和粒子输运的作用机理是未来聚变堆积极应用外加螺旋场的基础。 在J-TEXT托卡马克上,利用外加螺旋场观察到了m/n=2/1撕裂模的锁模、部分抑制、完全抑制以及完全抑制后的锁模。针对实验观测,本文利用单流体模拟从定量上很好的重现了实验结果,从定性上给出了螺旋场与撕裂模的作用机理与物理图像。螺旋场对撕裂模的作用表现出不同的作用区间,依次为撕裂模抑制、小磁岛锁模和场穿透。研究螺旋场与撕裂模的作用机理,发现螺旋场对撕裂模贡献净的致稳作用和减速作用。螺旋场对撕裂模作用的这一本质决定了在合适条件下撕裂模会被抑制、等离子体转动被减速。当磁岛宽度较小、转动频率较大、等离子体粘滞较强和阿尔芬速度较小时,螺旋场贡献的致稳效应将会占主导而导致撕裂模被抑制,同时等离子体转动变化较小。另外,从数值上首次发现小磁岛锁模,该磁岛宽度小于线性层宽度、与等离子体流发生解耦,并锁在螺旋场的致稳区。小磁岛锁模的发现,首次从数值模拟上将撕裂模抑制、场穿透这两种截然不同的现象联系在了一起。 基于螺旋场对撕裂模作用机理的理解,本文开展了螺旋场缓解密度极限破裂和控制新经典撕裂模的应用探索。首先,在J-TEXT上利用螺旋场成功实现对密度极限破裂前兆的有效控制,提高了极限密度(-15%)、延缓了破裂发生时间。其次,数值计算结果表明,螺旋场可以有效控制NTMs的增长,螺旋场控制NTMs存在一个较大的致稳区间,螺旋场贡献的致稳作用远大于自举电流的解稳作用,从而将NTMs控制在很小的尺度,而对等离子体转动影响很小。经过系统的数值研究,发现在NTMs发展的早期,磁岛宽度较小、转动频率较高时,利用螺旋场很容易抑制NTMs的增长。 本文在J-TEXT上研究了静态螺旋场影响粒子输运的实验特征,确证了螺旋场对粒子输运的共振效应,即螺旋场的作用仅改变共振面以内的等离子体密度。利用密度调制,测量了螺旋场作用下的粒子输运系数,发现螺旋场会增大粒子扩散系数、降低粒子对流速度,导致径向向外的粒子输运增强、粒子约束时间减小三分之一。更重要的是,首次研究了转动螺旋场对粒子输运的作用,发现当螺旋场转动频率高于共振面电子流的转动频率时,螺旋场会导致共振面以内的密度增加、粒子约束得到改善,反之密度会下降。且密度变化量与两者的转差频率成线性关系。这一发现,首次从实验上揭示了等离子体转动频率在螺旋场影响粒子输运中起着重要作用,对于目前螺旋场控制边界局域模中的粒子输运的理解有着重要意义。 针对螺旋场影响粒子输运的实验研究,本文基于双流体模型介绍了解析分析,并结合模拟从定量和定性上对实验进行了解释,发现等离子体转动频率在粒子输运中起着重要作用。数值模拟给出的密度演化直观的描述了共振效应的基本过程,即螺旋场首先引起共振面位置的密度发生变化,最终传播到等离子体芯部,导致共振面以内的密度发生变化,而共振面以外的密度保持不变。通过系统的数值研究,发现螺旋场影响粒子输运的两个作用区间,即线性输运区间和大磁岛输运区间。线性输运区间的密度变化量相对较小,与解析分析相符。大磁岛输运区间的密度变化由磁岛和螺旋场两项的作用决定,磁岛促使内区密度变平,共振面以内密度降低。增大磁岛宽度、粒子扩散系数和等离子体碰撞频率,减小等离子体粘滞,磁岛对粒子输运的作用将占主导,从而主要观察到密度降低。


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