托卡马克上三维磁场扰动引起的边界磁场拓扑结构改变研究

发布时间：2020-09-20 21:46

　　 磁约束核聚变是目前可控核聚变实验研究中的最热门的领域，有望通过和平利用聚变核能来为人类未来提供不竭和干净的能源。目前的研究认为，托卡马克是最有发展前景的一种环形的磁约束聚变装置。备受瞩目的ITER计划就将建造托卡马克型实验堆以实现可持续放电，研究聚变反应堆的工程及物理问题。 在托卡马克装置中用于约束等离子体的磁场可分为平衡磁场和扰动磁场两部分。二维的平衡磁场由螺旋形的磁力线绕嵌套的环面构成，而扰动磁场则有来自装置建造中产生的误差，周围各种系统和导线产生的杂散场以及专门用于产生扰动磁场的线圈的贡献。共振扰动线圈常用于产生径向的扰动磁场，是托卡马克中用于磁流体力学不稳定性主动控制最有效的手段之一，尤其是在边界局域模抑制的实验研究中，已经取得了较好的效果。 本文的工作基于中国科学院等离子体物理研究所的托卡马克装置EAST开展。利用磁力线追踪的方法，开发了用于模拟托卡马克装置中真空场下三维磁场拓扑结构的程序TOP2D。对托卡马克中三维磁场的模拟结果显示，共振扰动磁场会使共振磁面上形成磁岛，靠近磁分界面上相互重叠的磁岛链产生了随机磁场区域。磁分界面本身也会因磁场扰动产生扭曲和分裂，与偏滤器靶板相连的位置不再是固定的单个条纹，而是分裂成多条纹的结构。随机磁场区域中的磁力线能够因此与面向等离子体的第一壁相连，在偏滤器靶板上，磁力线的打击点分布形成了螺旋条纹状的图案，常被称作磁力线打击点分裂形成的磁足迹图。利用TOP2D程序的模拟结果，本文分析了不同扰动场下扰动谱型的共振性与边界随机磁场宽度及靶板上磁力线打击点分裂程度的关系，说明了扰动谱型对三维磁场拓扑结构的重要作用。 2014年EAST上开展的共振磁场扰动实验验证了共振磁场扰动下三维磁场拓扑结构的形成。本文对实际实验设置的模拟结果与一些实验诊断系统如CCD相机、偏滤器探针等的数据进行了定性的比较分析，说明了数值模拟对实验结果有可比较和参考的意义。在将来的实验中，模拟结果可以为实验提供更好的参考，并能够结合实验数据为理解边界的输运过程，控制磁流体不稳定提供更多物理分析和理解。EAST装置上开展的共振磁场扰动实验也将为未来的ITER计划提供可靠的参考数据和技术积累。
【学位单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TL631.24
【部分图文】：

图 1 托卡马克基本结构示意图[3]上世纪 50 年代以来经过半个多世纪，对可控核聚变开展研究的国磁约束核聚变当中包含了极其复杂的物理、工程等问题，不是任何完全凭借自己的力量来解决的，必须在国际间开展科技合作来寻求

零位形（Upper/LowerSingleNull,USN&LSN）的等离加热系统的加入，EAST 在环向提供了 16 个诊断和至 P 标记，如图 2 中的 EAST 窗口俯视图所示。本文向的 0 度定位于 P 窗口与 A 窗口之间的中线位置，为环向φ的正方向，取值范围为[0,2π)。

EAST装置简图及RMP线圈位置示意图

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本文编号：2823185