动理学效应对电阻壁模和环向阿尔芬本征模影响的研究
发布时间：2020-04-26 06:56
【摘要】：宏观磁流体不稳定性是等离子体大破裂的主要原因之一。例如,由等离子体压强梯度、等离子体电流以及高能量粒子(Energetic particles,EPs)驱动的电阻壁模(Resistive Wall Mode,RWM)、环向阿尔芬本征模(Toroidal Alfvén Eigenmode,TAE)等。RWM 不稳定性会限制等离子体高β的获得,从而限制能量增益因子的值。由快粒子驱动的TAE不稳定性则会引起快粒子的损失与再分布,降低能量约束水平。因此,对这些不稳定性的深入研究对未来核聚变的实现具有重要意义。RWM的稳定方法有两种:利用反馈线圈的主动控制和旋转等离子体结合各种能量耗散机制的被动控制。到目前为止,主动控制的研究和理解已经相对成熟,但是被动控制的研究还存在一系列的问题,如稳定RWM所需等离子体环向旋转阈值的大小、存在的能量耗散机制等。此外,快粒子在稳定RWM的同时会激发类鱼骨模(Fishbone-like Mode,FLM)不稳定性。另一方面,对TAE的研究通常假设等离子体边界满足固定边界条件,即忽略了等离子体边界和导体壁之间的真空区。实际上等离子体边界和导体壁之间的真空区会对目前关于低n(n是环向模数)TAE的研究结论产生一定的修正。因此,基于上述原因,本论文采用理论分析和数值计算的方法主要研究RWM和TAE的动力学行为,同时也对快粒子激发的FLM不稳定性做一些简单地讨论。第一章,简要介绍本文的研究背景,研究目的,磁流体(MHD)不稳定性的描述方程和研究方法,主要介绍RWM和TAE的研究进展,并对本文所采用的研究工具MARS程序做简单地说明。第二章,在包含捕获热粒子动理学贡献的情况下研究了等离子体的碰撞频率,以及热离子热电子的温度比对RWM的影响。磁流体一动理学混合理论模型预测表明,连续地改变等离子体的碰撞频率,热离子和热电子的温度比会引起RWM的动力学分叉。采用非扰动的计算方法在环位型下也可以得到定性一致的分叉现象。研究结果表明该分叉现象不依赖于等离子体的碰撞模型。第三章,在碰撞和无碰撞模型下,理论研究了捕获热粒子和快粒子的动理学贡献对RWM和FLM的影响。研究结果表明等离子体的碰撞频率对RWM的稳定或解稳作用依赖于快粒子的压强βh。此外,激发FLM不稳定性的阈值βh在包含捕获热粒子的动理学贡献后会有显著提高,而且该激发阈值还依赖于等离子体的碰撞频率和等离子体环向旋转频率。由于FLM的频率相对较低,等离子体惯性对FLM的影响可以被忽略。第四章,利用理论模型和数值模拟研究了电阻等离子体中RWM的动力学行为。研究发现,在包含环向好曲率效应(toroidal favorable average curvature effect,GGJ)的电阻等离子体中存在两个RWM不稳定分支。等离子体电阻对这两个分支的稳定或解稳作用依赖于等离子体环向旋转;同样,等离子体环向旋转对这两个分支的影响也依赖于等离子体电阻。此外,GGJ效应不仅可以直接影响RWM的增长率,而且还可以通过改变模式的频率而对连续性阻尼产生修正,从而间接地影响模式的增长率。数值计算结果可以很好地与理论分析结果定性符合。第五章,利用MRAS-K程序,在自由边界条件下采用自洽的计算方法研究了由捕获快粒子激发的n = 1TAE不稳定性。与等离子体边界处的固定边界条件相比,自由边界条件一方面能够提高激发TAE不稳定性所需快粒子动理学贡献的阈值,另一方面能够在等离子体边界处引起有限的等离子体扰动位移。与各向同性分布相比,在粒子螺旋角空间满足各向异性分布的快粒子会使TAE变得更加不稳定,并且模式的结构也变得更加全域。等离子体电阻对快粒子激发的TAE不稳定性也有稳定作用。连续地增加快粒子初始能量,会引起动理学修正的理想扭曲模向环向阿尔芬本征模的转化。一些特定的物理参数如快粒子的动理学贡献、平衡等离子体的压强、等离子体的电阻、快粒子的分布函数、快粒子的初始能量会对TAE的模结构有修正作用。这一修正作用只有在采用非扰动的计算方法时才可以观察到。更重要的是计算结果表明,在临界稳定点TAE具有不同于常规TAE的模结构。最后是对本论文的总结和对未来工作的展望。
【图文】：
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本文编号：2641228
【图文】：
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