低杂波引起的磁拓扑变化对托卡马克边界等离子体输运的影响

发布时间：2020-07-05 14:44

【摘要】：目前,共振磁扰动技术已经在世界上多个托卡马克装置实验中被证实可以用来控制边界磁流体不稳定性,以及等离子体与壁相互作用。近年来,东方超环(EAST)全超导托卡马克装置实验表明低杂波可以在刮削层区域产生沿着磁力线的螺旋电流丝,从而明显地改变边界磁拓扑结构。这种磁扰动不仅可以被用于缓解边界局域模,还可以用来改善偏滤器靶板上的热流和粒子流分布。在此背景之下,本论文系统地研究了低杂波引起的磁拓扑变化对边界等离子体输运的影响。本文首先简要介绍了磁扰动技术在托卡马克装置中的应用,以及边界等离子体输运程序EMC3-EIRENE的理论模型。EMC3-EIRENE程序由基于三维边界等离子体流体模型的蒙特卡洛程序EMC3和基于动理学模型的中性粒子输运程序EIRENE耦合而成。通过对该程序计算网格的优化,本文首次模拟了低杂波产生的扰动磁场对三维边界等离子体电子密度、电子温度和马赫数,以及偏滤器靶板热流和粒子流的影响。模拟结果能够与多种边界实验诊断数据相符合。结果表明,由于平行于磁力线的输运比扩散输运强得多,三维边界磁拓扑结构能够很明显地反映在等离子体属性中。结合以往实验观测,模拟结果同样支持低杂波引起的螺旋电流丝的电流随着低杂波注入功率的增大而增大。这不仅会通过拓宽边界随机区而加深附加输运通道的渗透深度,而且能够影响靶板热流或粒子流在分裂打击点和原打击点上的比例。同时,三维模拟还显示,扰动磁场产生的附加输运通道将引起热负荷在不同靶板之间的重新分配。此外,在EAST实验上观测到,利用超声分子束注入技术和低杂波引起的磁扰动能够改变靶板热流和粒子流的三维分布。为了揭示其背后的物理机制,本文使用EMC3-EIRENE程序首次在模拟上重现了该实验现象,并对其作出了定性的物理解释。在边界等离子体区域,注入的中性粒子的离子化产生的电子和离子将沿着磁通管直接打在偏滤器靶板上,从而导致分裂打击点上的热流和粒子流的进一步升高。结合边界磁拓扑的多体瓣状结构,本文从模拟的角度提出可以通过调节超声分子束的注入位置或者扰动磁场的相位来主动调控靶板的热流和粒子流分布,以均化边界等离子体对靶板的侵蚀,延长偏滤器的使用寿命。
【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】：

托卡马克装置,结构示意图

托卡马克本质上是一种环形的低压氋温等离子体放电装置。在托卡马克装置逡逑中，温度为几千电子伏特的氘和氚离子在磁场的约束下能够克服库伦场产生的排逡逑斥力，发生核聚变反应，生成《粒子和逃逸到周围环境中的快中子。图１．２显示逡逑了托卡马克装置基本的原理。围绕着真空室的环向线圈将产生纵向磁场但是逡逑单纯的纵向磁场并不能用来约束等离子体。因为此纵场的场强会沿着径向衰减逡逑（冉ｏｃｌ／Ｒ，邋Ｒ为大半径位置），进而引起电荷分离，产生垂直电场，导致等离子逡逑体整体的径向漂移而破裂。为了克服这一难题，将托卡马克装置中的等离子体环逡逑看作变压器电路中的次级线圈，通过改变中心线圈的电流在等离子体内部激发出逡逑环向的感应电流。该电流将产生极向磁场，其与纵场结合，使托卡马克内部的磁逡逑力线呈螺旋结构。带电粒子沿着这些螺旋磁力线做环绕运动，交替出现在强场侧逡逑和弱场侧，从而阻止了垂直方向上的电荷分离，并增加了粒子约束时间。在实际逡逑的装置中

托卡马克装置,嵌套结构,极向磁场,位型

托卡马克中的偏滤器位型可以由附加的极向场线圈来实现。将线圈中通以与逡逑等离子体电流方向相同的电流来产生额外的磁场。当磁场强度足够大，将某一点逡逑的极向磁场减弱为０时，磁拓扑结构将发生改变，如图１．４所示［６］，此种位型便逡逑为偏滤器位型。其中极向磁场为０的点成为Ｘ点，其所在的磁面称为最外闭合逡逑磁面，此磁面上的安全因子趋于无穷大。最外闭合磁面以外的区域称为刮削层区逡逑４逡逑

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