环型磁约束装置的二维等离子体数值模拟研究

发布时间：2020-04-29 01:21

【摘要】：提高托卡马克装置的约束性能是核聚变研究的一个非常重要的方向。本文从双磁流体方程组和麦克斯韦方程组出发,以J-TEXT装置的实验参数(芯部离子、电子温度、中心弦平均密度、放电电流以及环电压等)为依据,数值模拟研究装置放电的等离子体参数分布,探索等离子体转动的作用机制及其效应,为实验运行的控制与优化放电模式提供理论依据。主要工作内容如下:(1)从静态的流体运动方程出发,对不同平衡态的等离子体平衡方程进行求解,包括顺磁、反磁(逆磁)、顺磁转逆磁(边缘小范围为逆磁性质)的平衡态,获得不同平衡态的平衡参数(压强、极向电流、等离子体密度、垂直磁场等)。对比发现:即使装置在整体上表现为顺磁性质,但在内缘很小区域内通过外部调控为逆磁性质,能使极向比压β_p有较大的增长,即能大大的提高装置的约束性。(2)在小环坐标系,径向和极向磁场的模拟结果表明:在等离子体核心,磁场的一级量(B_r~1,B_θ~1)几乎等同于零级(B_θ~1),磁场在等离子体芯部具有三维结构。这个属性对于更好地了解等离子体芯部的输运特性是极其重要的。对于理想MHD模式,带电粒子可以被冻结在磁力线中,因为固有的径向磁场的存在,等离子体的径向流动是注定要发生的。(3)自洽流场、电子与离子相对速度、电流密度等物理量,均与磁场有相似的多极场结构,也即它们都应该具有3维空间结构,局部存在涡旋场。同时发现边界密度的调控与涡旋成形的位置有密切关系。(4)初步探索3维等离子体结构参数的分布属性,当考虑线圈安装的误差场后,装置不在具备环对称的条件,此时压强梯度不再环对称,磁面不再只是(r,θ)的函数,还应该与环向角φ有关,因此磁场和电流密度也与环向角的分布有关。这些研究结果有助于理解外加扰动场与控制撕裂模相互作用、局域径向等离子体流、磁涡旋的物理机制。
【图文】：

装置图,装置图

TEXT 装置的简介卡马克是通过环向磁场、极向磁场以及其他磁场所耦合成的螺旋形制高温等离子体的装置[1-3]，它主要由环形真空室、环向场线圈、电源系统、诊断系统等组成。其环向磁场通过绕在真空室外面的环的，而极向磁场的大小则是由极向场线圈和等离子体电流一起决是通过螺旋形磁场将等离子体约束在特定的反应区域，再经过加热的方法使装置达到实验所需的条件，进而进行托卡马克放电，并释EXT 装置是众多托卡马克装置中的其中之一，它现在位于华中科等离子体研究所，其前身为美国德克萨斯大学奥斯汀分校的 TEX，建立中美联合实验室，并进行装置重建；2007 年，装置完成重束核聚变方面的研究工作，在同年年底第一次得到等离子体。

电流分布,轴向分布,逆磁性,托卡马克等离子体

个剖面的平衡位形以及结构特征。再使用所得的角向磁通函装置的基础实验参数，计算别的物理量的特征结构。结果与分析子体的极向电流分布在控制托卡马克等离子体的稳定性中具有重要 2-1 中，正方形（黑色）为顺磁（sc）的平衡态，圆形（红色）为反转点在 0.7a 处（sc-nc-0.7a）的平衡态，三角形（蓝色）为逆磁（。由图可知，正方形的极向电流在整个剖面都为正值，且在芯部附，具有顺磁性质；三角形的极向电流在整个剖面都为负值，在芯部值最大，具有逆磁性质；圆形的极向电流在边缘小范围内为负值，，，即在大范围内表现为顺磁而在外围较小区域为逆磁性质。即适当流的系数，可以控制托卡马克等离子体的性质，这对得到高 beta 值。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL631

【参考文献】