同步辐射与随机磁涨落对逃逸电子影响的理论研究

发布时间：2020-04-01 23:46

【摘要】：磁约束聚变是将来有望解决人类能源问题的重要途径之一,其中托卡马克装置是目前研究最多、同时最有希望实现磁约束聚变的装置。然而,托卡马克等离子体破裂几乎是不可避免的灾难性事件。等离子体破裂的危害之一是产生大量的高能逃逸电子,如果不加控制,这些高能的逃逸电子最终将打到装置第一壁上,对装置安全运行造成严重威胁,因此,对逃逸电子的产生过程进行深入的理论研究,找到切实可行的缓解方案具有重要的意义。电子能否逃逸取决于其速度空间结构,当电子速度超过热速度时,碰撞摩擦力随电子速度的增加而减小,此时如果电子受到的电场加速力能够克服摩擦阻力就可以被持续加速而发生逃逸。在电磁场中,电子的同步辐射随电子速度的增加而增强,所以逃逸电子能量还会受到同步辐射的限制,从而不能无限加速。此外,逃逸电子运动轨迹受到坐标空间的制约,其输运特性决定着逃逸电子的“存活”时间,而磁涨落是影响逃逸电子输运的重要机制。因此,我们重点研究了同步辐射与随机磁涨落对逃逸电子产生过程的影响。等离子体的统计描述方法是解决等离子体相关问题的有力工具,根据逃逸电子产生的子过程的不同特征时间尺度,我们应用时间尺度分离的方法求解了包含同步辐射与随机磁涨落的回旋动理学相对论性福克-普朗克方程。研究发现,一个电子能否最终发生逃逸与其加速率和扩散速率紧密相关。只有电子的加速率快于其扩散率时电子才能发生逃逸。由加速率与扩散率的平衡我们得到了逃逸电子被维持的电场,该电场值是随机磁涨落水平的正相关函数。在给定的磁涨落水平下,实际电场值小于该维持电场时所有初始产生的快电子都将因加速率小于扩散率而损失,从而没有逃逸电子的产生;只有实际电场值高于该维持电场值时才会有有限的电子成为逃逸电子。同时发现电子的最小逃逸动量对磁涨落的变化极其敏感,能量极限受磁涨落的影响不大。另外,要发生逃逸电子的雪崩增长,逃逸电子仅仅被维持是不够的,电子需要从电场中获得更大的加速力。与仅考虑同步辐射的情况相比,同时考虑同步辐射及磁涨落对逃逸电子雪崩过程的影响后发现,雪崩阈值电场进一步提高,逃逸增长率随着磁涨落水平的增加而显著下降。这些理论结果与大量的实验与模拟结果定性上是相吻合的,这预示了将来在国际热核聚变实验反应堆(ITER)上通过人为影响磁涨落水平来抑制逃逸电子的可能性。
【图文】：

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华中科技大学硕士学位论文一般来讲，实现核聚变有三种方式，引力约束、惯性约束与磁约束。引力约束主要发生在恒星内部，依靠恒星强大的吸引力实现对粒子的约束，在像地球这样较小的星球上很难实现。自上世纪中叶以来，世界各地的科学家一直在探索在地实现可控核聚变的可能方式，主要有两种可控聚变方式被提出，一种是惯性约束，另外一种是磁约束聚变。惯性约束主要是利用强激光打在氘氚燃料制成的靶，使靶丸燃料形成等离子体，由于自身惯性，在未来得及四散开来之前，即被加极高温度而发生聚变反应[2]。磁约束聚变是利用强磁场约束高温等离子体实现受变的一种方式，被认为是最有希望的一种。在所有的磁约束聚变装置中，托卡马Tokamak）是被多数科学家最为看好的装置之一。托卡马克是一种轴对称的环形磁约束聚变装置，于 20 世纪 50 年代由苏联著名学家塔姆（I.E.Tamm）和萨哈罗夫（Sakharov）首先提出[3]，其结构如图 1.1 所示

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图 1-2 JET 被逃逸电子损伤的铍壁[10]1.2 等离子体中的电子逃逸行为在有外加电场存在的等离子体中，电子同时受到加速力与减速力的作用。加速力主要来自于电场，减速力主要来自于电子与其他粒子的碰撞。加速力与电子速度无关，而减速力却是速度的强关联函数[11, 12]，，根据库仑碰撞理论：其中，是静止电子质量，是电子速度，是电子与其他等离子体粒子的碰撞频率。碰撞频率其中，为真空介电常数，是电子密度，是库仑对数。由（1-6）式可以看出，
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL631.24

【参考文献】