电流反向平衡位形中带电粒子运动的模拟研究

发布时间：2020-07-15 16:13

【摘要】：交流放电运行是实现托卡马克准稳态运行的一种可行方案,要求总电流为零时保持有限的等离子体密度,使得在较低的环电压下重新加热等离子体并产生等离子体电流。关于总电流过零时的电流反向平衡位形和相关的等离子体性能的研究,对深入理解托卡马克等离子体性质及开展交流放电实验具有重要意义,主要研究内容如下:首先,结合CT-6B等离子体交流放电实验,采用有限元法和高斯迭代法数值求解Grad-Shafranov方程,得到了总电流过零时刻的平衡位形。结果表明:等离子体电流过零时为内外两侧电流反向平衡位形。磁场结构在强场侧和弱场侧各存在一个磁岛,等离子体电流密度和压力分布在磁岛处取得极值。该计算结果与实验符合较好。然后,建立带电粒子运动的物理模型,模拟电子和氘离子在电流反向平衡位形中运动的运动轨迹。模拟结果表明:电流反向平衡位形中,初始位置位于强场侧和弱场侧的氘离子都可能存在轨道损失;电子的运动轨迹几乎在初始磁面上,不会造成损失;初始位置位于弱场侧靠等离子体边缘的氘离子,随着初始角的增大,氘离子运动轨迹由通行粒子轨迹慢慢变成损失的香蕉粒子轨迹然后向外翻香蕉粒子轨迹演化,损失区间夹在两个极值点中间;最后,采用蒙特卡罗方法获得满足麦克斯韦速度分布的速度样本,统计电流反向平衡位形中不同初始位置处的粒子损失率以及所有损失粒子的损失位置分布。并进一步统计ITER常规平衡中,不同径向位置处的高能氦核粒子损失率以及损失位置分布,计算总的损失率。统计结果表明:CT-6B装置电流反向平衡位形中,靠近等离子体中心或等离子体边缘处的氘离子存在轨道损失。氘离子从赤道面以下损失出去,在等离子体强场侧和弱场侧的最底端损失概率大;ITER装置常规平衡位形中,初始径向位置位于ar?8.0处的氦核离子几乎不会损失,ar?8.0后,损失率随着径向位置的增大而变大,ITER装置总的高能氦核粒子损失率大概为0.8%。氦核离子从赤道面以下损失出去,在等离子体最底端损失概率最大。
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL631.24

【参考文献】