高能量粒子激发的剪切阿尔芬波

发布时间：2020-05-27 01:02

【摘要】：在磁约束聚变燃烧等离子中,阿尔芬波的研究一直扮演着至关重要的角色。多种阿尔芬本征模式在理论和实验中被发现,而这些阿尔芬本征模式易与高能量粒子通过波-粒相互共振作用机制激发成不稳定状态。在高-β环向等离子体中,一种沿磁力线方向传播,且由等离子体压强梯度诱导的势阱所捕获的一种新型的本征模,简称离散阿尔芬本征模(αTAE,α是等离子体压强梯度的标度)。αTAE主要受等离子体的压强梯度和气球模影响,研究发现其主要存在于气球模的第二稳定区和负磁剪切区域。最近几年,发现在HL-2A托卡马克装置上的多种阿尔芬本征模式被激发成不稳定模式,如环效应诱导的阿尔芬本征模(TAE)、Beta-诱导阿尔芬本征模(BAE)和高频负磁剪切阿尔芬本征模(HFRSAE)。HL-2A托卡马克装置具有多种辅助加热方案,目的是为了控制和优化等离子体电流剖面。在辅助加热过程中,辅助加热的能量将沉积于沿托卡马克小半径方向上的不同区域,使该区域的等离子体温度升高,产生较大的压强梯度,而较大的压强梯度将诱导离散阿尔芬本征模的形成。基于HL-2A托卡马克,运用理想磁流体力学(MHD)数值模拟程序,在低杂波辅助加热放电方案中,探究了低杂波能量沉积区域内的离散阿尔芬本征模(αTAE,α是等离子体压强梯度的标度)的物理特征;探讨了不同等离子体剖面下,αTAE的分布情况.运用线性回旋动理学和磁流体力学混合模拟程序,研究了中性束注入不同能量的粒子对αTAE的影响;此外,还探究了能量沉积区域内的αTAE被高能量粒子激发成不稳定性的物理特征。同时还基于当前世界上主要的托卡马克装,根据其结构特征和运行条件分类探究了不同类型托卡马克装置上的离散型阿尔芬本征模物理特征行为,以及在高能量粒子条件下离散阿尔芬本征模的不稳定性特征,这些托卡马克装置上存在的不稳定性也能会正在建设的(CFETR)和(ITER)中产生。通过模拟发现,在该装置上α的值相对较小,αTAE主要分布在负磁剪切区域。在低杂波能量沉积区域内伴有丰富的αTAE,且低杂波能量沉积量越大,αTAE频率也越高。此外,在不同等离子体剖面下,大量的αTAE被束缚于沿HL-2A托卡马克小半径方向上的不同区域。随着中性束注入粒子能量逐渐增大,αTAE的多支模也被激发成不稳定模式。模拟还发现在不同类型托卡马克装置上,在较宽的运行范围内,都存在离散阿尔芬本征模,且这种本征模易受高能量粒子激发成不稳定模式。这种不稳定模式潜在影响托卡马克对等离子体的约束性能和未来聚变反应堆的稳态运行。
【图文】：

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图 1.2.1 左图为均匀磁场中带电粒子的轨迹，右图为非均匀磁场中带电粒子的轨迹.从如图 1.2.1 带电粒子在垂直磁场的方向做回旋运动，由于磁场存在不均，导致梯度漂移，带电粒子将逃逸出磁场。因此，科学家们将磁场弯曲成环形样一来环形磁场就将带电粒子约束在磁场中，使得带电粒子在环形磁场中做于圆周运动，再加上在聚变反应过程中，聚变反应温度必须达到上亿度，目界上还未有任何容器能够承受如此高的温度。科学家们利用环形磁场的这一设计了磁约束聚变装置——托卡马克，托卡马克聚变实验装置由于设计的简其具有的优点便成了人类研究聚变反应的首选，如图 1.2.2 所示。

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图 1.2.1 左图为均匀磁场中带电粒子的轨迹，，右图为非均匀磁场中带电粒子的轨迹.从如图 1.2.1 带电粒子在垂直磁场的方向做回旋运动，由于磁场存在不均匀性，导致梯度漂移，带电粒子将逃逸出磁场。因此，科学家们将磁场弯曲成环形，这样一来环形磁场就将带电粒子约束在磁场中，使得带电粒子在环形磁场中做近似于圆周运动，再加上在聚变反应过程中，聚变反应温度必须达到上亿度，目前世界上还未有任何容器能够承受如此高的温度。科学家们利用环形磁场的这一特性设计了磁约束聚变装置——托卡马克，托卡马克聚变实验装置由于设计的简单和其具有的优点便成了人类研究聚变反应的首选，如图 1.2.2 所示。
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL631

【参考文献】