EAST托卡马克中基于新经典环向粘滞的磁制动效应研究

发布时间：2020-07-20 08:14

【摘要】：为了实现聚变装置中高温等离子体的安全稳定运行,我们在EAST托卡马克上利用共振磁扰动(RMP)对磁流体力学不稳定性进行了大量主动控制的实验,并观察到了明显的等离子体环向旋转制动现象,即出现磁制动效应。本论文中,我们采用实验数据分析结合新经典环向粘滞(NTV)理论模拟相对比的方法,对EAST上的磁制动效应进行了系统性研究,以期能有助于深入理解磁扰动对等离子体旋转造成影响的物理机制,并最终解决制约未来装置运行的磁流体力学不稳定性问题。我们通过动量输运分析计算出了能反映等离子体旋转变化的实验制动力矩,并与NTV理论所预言的力矩进行了对比,结果显示,NTV力矩总体上能够很好地和实验观察力矩相吻合。NTV力矩模拟采用考虑了主要的共振以及非共振区间贡献的NTVTOK程序。在环向模数n=1的静态RMP中,总的NTV力矩与总的实验力矩比较接近。模拟结果显示,在EAST中离子的反弹漂移共振在等离子体芯部对NTV力矩有十分明显的贡献,而在靠近边界位置离子环向进动共振起主导作用,因而在相应的等离子体芯部和边界形成两个峰值。实验力矩分布也呈现了类似的双峰结构,其中边缘的峰值与NTV力矩十分接近,但在芯部量值差异较大。依然存在的差异可能是由于在响应场的模拟中低估了芯部等离子体的径向磁面位移。在n=4的静态RMP中,也呈现类似的规律。我们利用RMP相位差扫描研究了共振磁扰动谱型改变对于制动效果的影响,结果显示,等离子体的旋转出现周期性的演化,计算出的实验力矩同样也具有周期性并与模拟计算的NTV力矩变化趋势一致。这是由于平衡磁面上共振磁扰动强度在相位差扫描场下出现周期性的变化,从而使得磁面位移发生周期性改变,导致NTV力矩也出现了周期性的变化并与实验力矩的变化趋势一致。另外,q95的改变使磁扰动谱中的共振条件发生了变化,也会导致力矩与RMP相位差的依赖关系发生改变。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL631.24
【图文】：

运动轨迹,环形,磁场,二维

逦第二章托卡马克上的磁制动效应综述逦逡逑大环径比近似下（ｒ／／？Ｑ？ｌ）托卡马克中的磁场强度可近似写成［１７］：逡逑４邋Ｂ。Ｇ邋－云Ｈ邋（２＿Ｄ逡逑其中Ｂｅ为磁轴上的磁场强度，为磁轴所在的大半径，ｒ？为小半径，如图２．邋１（ａ）逡逑所示。可知高场侧和低场侧的磁场结构相当于一个磁阱，如图２．１邋（ｂ）所示，磁逡逑场有沿－及方向的梯度Ｐｆｉ，具有不同速度的带电粒子在这个磁阱中的运动可形成逡逑不同的轨迹。逡逑ｚ逡逑

俘获粒子,损失锥,速度空间,边界构成

逡逑的边界，构成一个损失锥，如图２．３所示。临界角心可定义为：逡逑ｃｏｓ６ｃ邋＝邋—邋？邋（２ｒ／／？０）１／２逦（２．３）逡逑ｖ逡逑因而可通过积分得知俘获粒子所占比例：逡逑＼邋ｒｎ￣＾ｃ逦ｒ２７ｒ邋ｒ００逦／２ｒ＼１＾２逡逑／邋＝邋—邋Ｊ邋ｓｉｎｄｄＯ邋Ｊ邋ｄ（ｐ邋Ｊ邋ＦＭ（ｖ）ｖ２ｄｖ邋＝邋ｃｏｓｄｃ邋？邋＼＾￣Ｊ逦？ｆ邋＂２逦（２．４）逡逑其中ｅ邋＝邋ａ／／＾为倒环径比。由此可知在大环径比下只有小部分粒子被俘获，逡逑但在实际情况中俘获粒子往往占一半以上，因而在有限环径比下的修正十分重要。逡逑１，N逡逑＾Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ逡逑＼邋」丨逡逑Ｍｏｄｅｒａｔｅｌｙ邋—Ｍｏｄｅｒａｔｅｌｙ逡逑ｔｒａｐｐｅｄ邋ｐａｒｔｉｃｌｅ逦ｔｒａｐｐｅｄ邋ｐａｒｔｉｃｌｅ逡逑ａｆｔｅｒ邋ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ逦ｂｅｆｏｒｅ邋ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ逡逑Ｔｒａｐｐｅｄ邋ｐａｒｔｉｃｌｅｓ逡逑图２．３［１８］速度空间中俘获－非俘获粒子之间边界构成的损失锥。逡逑为了描述新经典输运区别于经典输运的特性，我们考虑用随机行走模型来估逡逑计新经典输运系数＝邋（４0２／Ｔ，其中Ａｆ和Ｔ分别为两次碰撞之间的平均步长和逡逑平均时间。对于通行粒子，新经典输运中的扩散系数为：逡逑（２＿５）逡逑ＥＡＳＴ中ｑ的范围一般为３－４，可见通行粒子碰撞引起的新经典输运系数比经逡逑典输运系数Ｄｅｔ要大３０倍以上。对于俘获粒子

磁制动,情形,旋转速度,非共振

容易使等离子体约束变差甚至发生破裂。因此，共振磁制动是应该避免的。逡逑它与非共振磁制动最大的区别在于它的旋转制动作用主要集中在特定的径向位逡逑置（有理面）上，即对应磁岛所在的磁面附近并存在撕裂模，如图２．６所示，为逡逑ＮＳＴＸ装置中非共振和共振磁制动下的等离子体环向旋转分布变化［４２］。可以看逡逑到，电磁力矩下的制动具有局域性，在某一位置处的旋转速度变化比其它位置要逡逑明显得多，并随着时间的推移由此位置缓慢地向附近区域弥散，最终该区域的旋逡逑转速度逐渐降低到接近于零，但远离此径向位置仍有较明显的旋转速度。逡逑４０：邋０．３６５ｓ逦（ａ）：〖逦，逦（ｂ）邋１逡逑－３０：逦；：逡逑１Ｌ逡逑ｖ丨丨逡逑．３０，逦／逦？邋ｒ逦－逡逑Ｊ．．．．．逦１．，逡逑０．８邋０．９邋１．０邋１．１邋１．２邋１．３邋１．４邋１．５逦０．９邋１．０邋１．１邋１．２邋１．３邋１．４邋１．５逡逑Ｒ邋（ｍ）逦Ｒ邋（ｍ）逡逑图２．６［４２］不同时刻的等离子体环向旋转分布以及制动过程中与初始旋转速度的差值的分逡逑布对应的两种情形：（ａ）非共振磁制动情形；（ｂ）共振磁制动情形。逡逑但近年来，在实验中发现等离子体的变化往往是非局域的，并且即使在磁扰逡逑动的共振分量被屏蔽后

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