托克马克等离子体中测地声模的理论模拟研究
发布时间：2020-06-26 18:53
【摘要】：在托卡马克等离子体中,由于温度、密度以及磁场的空间不均匀性,产生了各种不稳定性,这些不稳定性进一步发展就会引起湍流输运,从而影响等离子体的约束性能。因此,如何抑制湍流输运就成为了磁约束聚变研究中一个非常重要的课题。研究发现带状流可以通过E×B剪切作用有效降低湍流输运的水平,从而改善等离子体的约束性能。因此研究带状流物理具有非常重要的意义。测地声模(GAM)作为带状流的高频分支,可由漂移波湍流通过非线性相互作用所驱动,反过来又会抑制漂移波湍流,因此也得到了广泛的关注。本文主要利用回旋动理学理论研究了托卡马克等离子体中转动和杂质对GAM的影响以及电磁GAM的磁分量。同时,还利用回旋动理学程序GEM对电磁GAM进行了模拟研究。我们首先研究了由平衡径向电场产生的等离子体极向转动对GAM碰撞阻尼的影响。从包含极向转动和Krook碰撞算子的回旋动理学方程出发,然后利用准中性条件,我们得到了GAM的色散关系。通过对色散关系进行理论和数值求解,我们研究了不同离子碰撞率下极向转动对GAM碰撞阻尼的影响。结果表明:(1)当安全因子较小,且离子碰撞率较小或中等时,极向转动会减小GAM的碰撞阻尼率;离子碰撞率较大时,极向转动会使GAM的碰撞阻尼率先减小后增大。(2)当安全因子较大时,极向转动总会使GAM的碰撞阻尼率减小,且碰撞率越大,影响越明显。另外,通过比较GAM的碰撞阻尼和无碰撞阻尼,我们得到了临界碰撞率的大小并与实验参数进行了比较。同时我们简单分析了极向转动影响GAM碰撞阻尼的原因。接着我们理论研究了环向转动等离子体中杂质对GAM无碰撞阻尼的影响。为了方便,我们只考虑碳和钨两种比较典型的杂质来分别研究非微量杂质和微量杂质对GAM的影响。研究结果表明:(1)对于非微量杂质,无转动时,杂质浓度和质量数可以显著地减小GAM的频率而增大其阻尼率,而杂质电荷数对GAM几乎没有影响。存在转动时,杂质浓度仍然对GAM有显著的影响,而且转动速度越大,影响越明显。另一方面,存在杂质时,转动仍然会增大GAM的频率而减小其阻尼率。但是,随着杂质浓度的增大,转动对GAM的影响逐渐减小。(2)无转动时,微量杂质对GAM几乎没有影响。有转动时,在弱转动情况下,微量杂质对GAM仍然没有影响;但在强转动情况下,微量杂质会显著地增大GAM的频率而减小其阻尼率。另一方面,微量杂质会使转动对GAM的影响明显增强。(3)同位素效应可以显著地减小GAM的频率和阻尼率。同时,同位素效应还可以减弱杂质对GAM的影响,而使转动对GAM的影响增强。最后,我们首先理论研究了电磁GAM的磁分量,并推导了不同磁分量幅度的表达式,其中主要考虑了逆纵横比与通行频率的耦合。研究结果表明:(1)所有磁分量的幅度都与很多等离子体参数有关。(2)极向模数m=1和m=2的磁分量都存在正弦和余弦分量,而且都是正弦分量占主导。(3)逆纵横比对m=1和m=2的磁分量都有较大影响。当逆纵横比较小时,m=2磁分量的幅度会远大于m=1磁分量的幅度,这和以前的结果是一致的。当逆纵横比足够大时,m=1磁分量的幅度将与m=2磁分量的幅度可比甚至接近。这也是本论文跟之前结果中的最大不同之处。接着我们利用回旋动理学程序GEM对电磁GAM进行了数值模拟研究,并与理论结果进行了简单对比,结果表明模拟结果与理论结果定性上符合的比较好。同时还发现,电磁效应对GAM频率和阻尼的影响都很小。
【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】：2019
【分类号】：TL631.24
【图文】：
国内部分高校也打算近期或不久的将来建造仿星器装置。逡逑托卡马克是由前苏联科学家塔姆和阿齐莫维齐等人在２０世纪５０年代发明逡逑的一种环形真空装置。如图１．１所示，其外形看起来就像一个平放的汽车轮胎，逡逑外面缠绕着环向场线圈来产生强的环向磁场，然后和等离子体环向电流所产生逡逑的小的极向磁场形成封闭的螺旋状磁场，以此来约束住装置中由于极高温度而逡逑变成等离子体态的聚变燃料。托卡马克装置与仿星器最大的不同之处就是需要逡逑由外部纵向线圈感应出环向电流来产生极向磁场，所以大大降低了制造工艺的逡逑难度和成本。但是由于等离子体环向电流而导致的各种不稳定性和大破裂事件逡逑２逡逑
简单忽略了。逡逑最近，高U喞冒耍颍铮铮肱鲎菜阕拥幕匦硌Х匠讨匦卵绣沉隋澹牵粒湾义系呐鲎沧枘幔埃荨＝峁缤迹保此荆诘团鲎猜是榭鱿拢矗迹迹笔保牵粒偷腻义吓鲎沧枘嵴扔诶胱优鲎猜剩庥胛南祝郏保常莸慕峁旧鲜且恢碌摹Ｖ皇怯捎诓慑义嫌玫氖遣煌呐鲎菜阕樱韵凳晕⒂械悴灰谎６依胱优鲎猜识裕牵粒湾义系钠德始负趺挥跋臁Ｔ诟吲鲎猜是榭鱿拢矗铃问保牵粒偷呐鲎沧枘峄崴孀佩义侠胱优鲎猜手鸾ゼ跣 ４耸保鲎残вΧ裕牵粒偷钠德室灿忻飨缘挠跋欤崾瑰义希牵粒偷钠德手鸾ゼ跣 Ｓ胛南椎慕峁冉峡芍暗慕峁梢钥闯墒堑湾义吓鲛曷是榭鱿碌囊桓鎏乩Ｐ枰赋龅氖牵飧鼋峁怯米罴虻サ模耍颍铮铮肱鲎插义纤阕拥玫降模赡懿皇呛茏既贰Ｎ耸沟玫降模牵粒偷呐鲎沧枘岣幼既罚瑰义鲜切枰酶幼既返币哺痈丛拥呐鲎菜阕永唇屑扑恪＝幼爬钛畹热隋义侠闷贫硌Х匠碳绦裕牵粒偷呐鲎沧枘峤辛颂致
本文编号：2730748
【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】：2019
【分类号】：TL631.24
【图文】：
国内部分高校也打算近期或不久的将来建造仿星器装置。逡逑托卡马克是由前苏联科学家塔姆和阿齐莫维齐等人在２０世纪５０年代发明逡逑的一种环形真空装置。如图１．１所示，其外形看起来就像一个平放的汽车轮胎，逡逑外面缠绕着环向场线圈来产生强的环向磁场，然后和等离子体环向电流所产生逡逑的小的极向磁场形成封闭的螺旋状磁场，以此来约束住装置中由于极高温度而逡逑变成等离子体态的聚变燃料。托卡马克装置与仿星器最大的不同之处就是需要逡逑由外部纵向线圈感应出环向电流来产生极向磁场，所以大大降低了制造工艺的逡逑难度和成本。但是由于等离子体环向电流而导致的各种不稳定性和大破裂事件逡逑２逡逑
简单忽略了。逡逑最近，高U喞冒耍颍铮铮肱鲎菜阕拥幕匦硌Х匠讨匦卵绣沉隋澹牵粒湾义系呐鲎沧枘幔埃荨＝峁缤迹保此荆诘团鲎猜是榭鱿拢矗迹迹笔保牵粒偷腻义吓鲎沧枘嵴扔诶胱优鲎猜剩庥胛南祝郏保常莸慕峁旧鲜且恢碌摹Ｖ皇怯捎诓慑义嫌玫氖遣煌呐鲎菜阕樱韵凳晕⒂械悴灰谎６依胱优鲎猜识裕牵粒湾义系钠德始负趺挥跋臁Ｔ诟吲鲎猜是榭鱿拢矗铃问保牵粒偷呐鲎沧枘峄崴孀佩义侠胱优鲎猜手鸾ゼ跣 ４耸保鲎残вΧ裕牵粒偷钠德室灿忻飨缘挠跋欤崾瑰义希牵粒偷钠德手鸾ゼ跣 Ｓ胛南椎慕峁冉峡芍暗慕峁梢钥闯墒堑湾义吓鲛曷是榭鱿碌囊桓鎏乩Ｐ枰赋龅氖牵飧鼋峁怯米罴虻サ模耍颍铮铮肱鲎插义纤阕拥玫降模赡懿皇呛茏既贰Ｎ耸沟玫降模牵粒偷呐鲎沧枘岣幼既罚瑰义鲜切枰酶幼既返币哺痈丛拥呐鲎菜阕永唇屑扑恪＝幼爬钛畹热隋义侠闷贫硌Х匠碳绦裕牵粒偷呐鲎沧枘峤辛颂致
本文编号：2730748
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