托卡马克边界微观湍流的数值模拟

发布时间：2020-07-07 08:04

【摘要】：作为一种磁约束装置,托卡马克是目前实现可控核聚变从而终极解决人类能源问题最可行的方式之一。高约束模式(H-mode)运行方式使托卡马克更容易达到临界点火条件,因而成为国际热核聚变反应堆(ITER)计划的主要工作模式。过去三十余年,H模的一些关键物理依然未得到完全理解,如边界区的不稳定性、湍流输运,以及L与H相互间的转化机制。经过近二十年的发展,基于第一性原理的回旋动理学模拟已经成为研究托卡马克湍流和输运的主要工具。本文通过回旋动理学模拟(GTC代码)详细研究了HL-2A近期的几炮H模实验数据。对于静电模,模拟得出它主要是捕获电子模(TEM),其非线性的频率和模数与实验一致。我们发现H模的边界区域中,在线性情况下呈现的是非常规的气球模结构,其模结构的峰值并不像传统L模下那样局域在极向投影面的外侧中平面附近,而是出现极向角局域在0到27r任何位置或者在极向出现多峰。通过扫描梯度参数,线性最不稳定模的频率也与L模那支不同,而是有频率的跳变,梯度大于某临界值时跳变到另一支。非线性谱的逆级联(cascading)过程,也并不像传统的那样是多模耦合导致的,而更像是单模自身的非线性演化的叠加所致。解析上我们通过求解简化模型方程,发现系统中其实有系列不稳定性模存在,也即有系列本征态(类似量子力学中的能级)。弱梯度的L模,最不稳定的(也即实验上最明显的)是基态,对应传统的气球模结构；强梯度的H模,最不稳定的通常是非基态,其模结构对应非常规模结构。从而L-H的转换可能类似于能级的跳变。通过非线性的模拟,我们发现,强梯度下带状流对输运并不像一般认为的有抑制作用而是几乎无影响。更有意思的是非线性输运也有一个临界梯度存在,当边界梯度超过该值,随着梯度的增加输运系数反而降低,这为L-H转换提供了一种新的微观机制。物理本质上可能因为线性模结构的变化使得径向关联长度变短,从而导致输运特性改变,比如从弱梯度下的扩散与对流并存转为更接近于纯扩散输运。完整的研究应该考虑电磁效应,但是这个领域十几年的理论和模拟研究依然不太成功,即使是线性的频率也还无法使代码间或代码与实验做到一一对应。理论上,一般认为H模下最主要的电磁模是动理学气球模(KBM)。我们发现对于这支模,其增长率和频率对平衡磁场的具体实现方式极为敏感。而静电扰动为主的TEM和ITG(离子温度梯度模)两支并不那么敏感。因此,TEM和ITG的模拟研究相对更成功,而KBM模拟目前依然与实验结果相差较大。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL631.24;O533

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