EAST托卡马克中高能量粒子与磁流体波相互作用模拟研究

发布时间：2020-06-20 00:39

【摘要】：在磁约束聚变等离子体辅助加热和发生聚变反应的过程中会有大量高能量粒子产生,这些高能量粒子会激发起一些磁流体波,比如阿尔芬本征模和高能量粒子模,反过来,这些磁流体波的存在又会造成高能量粒子的损失,从而降低加热效率。因此,高能量离子对磁流体波的激发及它们之间的相互作用是磁约束聚变等离子体中非常重要的问题。本论文用动理学-磁流体混合程序MEGA模拟研究了 EAST托卡马克中高能量粒子与阿尔芬本征模和高能量离子与鱼骨模之间的相互作用。基于EAST上中性束注入加热的真实等离子体平衡位型,本文研究了由中性束注入产生的高能量离子激发的环向阿尔芬本征模。我们把动理学-磁流体混合程序MEGA与M3D-K的模拟结果做了详细对比,结果表明,在EAST的中性束注入的高能量离子参数范围内,两个程序计算结果符合的很好。由于EAST上中性束注入产生的离子速度较低,所以主要为|v‖|≈V0/3的高能量离子与环向阿尔芬本征模发生相互作用,且模拟发现反电流方向的高能量离子激发起的环向阿尔芬本征模的增长率要小于通电流方向的高能量离子激发的环向阿尔芬本征模的增长率。本文还基于EAST上观测到鱼骨模的平衡,研究了中性束注入产生的高能量离子与鱼骨模的相互作用。早期的理论分析一般考虑单一的通行或单一的俘获高能量粒子效应。本文中高能量离子分布用慢化分布来描述,其中包含了通行和俘获两种高能量离子。模拟结果表明,在鱼骨模的线性激发阶段,通行和俘获高能量离子都是非常重要的。非线性的模拟结果表明,当鱼骨模达到饱和阶段时,鱼骨模的频率会发生向下啁啾,且该过程还伴随着垂直方向高能量离子压强的展平。模拟还发现,在模的饱和阶段与鱼骨模发生相互作用的离子主要为俘获离子,且俘获离子的共振位置随着模的演化在径向会向外移动。模拟计算出的鱼骨模的饱和幅度与EAST实验测量一致。本文还做了一些关于鱼骨模频率与增长率对高能量离子参数的扫描工作,模拟结果与前人的工作都符合的较好。本文关于两程序的对比工作为以后两程序在EAST上开展更深入的研究提供了保障,高能量离子与磁流体波之间相互作用的模拟工作对实验上的相关研究提供了理论参考。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL631.24
【图文】：

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托卡马克中的磁场分为环向磁场和极向磁场，其中环向磁场是由外部通电逡逑的极向线圈产生，极向磁场主要由等离子体环向电流产生。二者叠加起来，在托逡逑卡马克中形成了螺旋形磁场位型，如图１．３所示，等离子体就是被这样的螺旋形逡逑磁场所约束。要达到发生核聚变反应和自持加热的条件，等离子体首先需要达到逡逑非常高的密度和温度状态，所以实现聚变的第一步就是通过各种手绿加热等离逡逑子体。托卡马克的加热流程为：首先通过欧姆加热将等离子体加热到几千万摄氏逡逑度，然后通过辅助加热手段，比如中性束注入、离子回旋加热和低杂波加热等手逡逑段，进一步加热等离子体，提高等离子体参数。逡逑１．欧姆加热逡逑在托卡马克外部的变压器绕组中通上逐渐变化的电流，等离子体中可感应逡逑出环向电流，被称为等离子体环向电流。等离子体环向电流对整个等离子体平衡逡逑有很大影响，同时该电流也可以通过离子－电子之间的碰撞，即电阻效应，加热逡逑等离子体

示意图,电阻,等离子体,加热效率

邋Ｅｘ＾ａ＂ｓｅｒ邋Ｔｕｒｂｉｎｅ邋＝邋Ｇｅｐｅｒａｔｏｒ邋—二：逡逑￣￣Ｓｔｅａｍ逡逑图１．１利用核聚变产生的能量发电示意图ＨＩ逡逑时间可以更长，更适合作为未来核电站的长时间运行模式。在磁约束核聚变领域逡逑中，有托卡马克、反场箍缩、仿星器和磁镜等装置。目前托卡马克是最热门的装逡逑置，其中已建成的装置有美国的ＤＨＮＤ、欧洲的ＪＥＴ、中国的ＥＡＳＴ邋（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ逡逑Ａｄｖａｎｃｅｄ邋Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ邋Ｔｏｋａｍａｋ）和ＨＬ－２Ａ等、国际上正在建造的为了验证逡逑托卡马克聚变堆物理和实验的大型装置国际热核聚变实验堆（ＩＴＥＲ）和中国未逡逑来要建造的ＣＦＴＥＲ。本文所研宄内容主要是关于ＥＡＳＴ托卡马克中的相关问题。逡逑１．２等离子体的加热和高能量粒子的产生逡逑托卡马克中的磁场分为环向磁场和极向磁场，其中环向磁场是由外部通电逡逑的极向线圈产生，极向磁场主要由等离子体环向电流产生。二者叠加起来，在托逡逑卡马克中形成了螺旋形磁场位型，如图１．３所示，等离子体就是被这样的螺旋形逡逑磁场所约束。要达到发生核聚变反应和自持加热的条件，等离子体首先需要达到逡逑非常高的密度和温度状态

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