基于等离子体对三维场响应的共振磁扰动控制边界局域模的物理机理研究

发布时间：2020-10-30 10:00

　　 本文通过研究托卡马克中等离子体对具有环向不对称性的三维磁场的响应,从等离子体响应的角度揭示了其影响边界局域模控制的物理机理:等离子体对三维场的响应是多模的,线性多模等离子体响应及台基区顶部共振分量强度可以用于优化边界局域模控制的三维场谱型,而非线性等离子体响应和边界分量渗透则是抑制边界局域模的关键因素。本文的研究工作包含以下几个方面:一、利用电磁测量诊断搭建了EAST上的三维等离子体响应测量系统,成功实现了环向与极向等离子体响应的测量。同时,提出了一种全新的多模等离子体响应测量与模拟方法,利用奇异值分解将等离子体响应的空间模结构与上下线圈相位差ΔφUL依赖关系独立开来。通过该方法,可以提取出具有物理含义的多模等离子体响应,辅助三维场物理问题的研究。二、利用新提出的多模等离子体响应测量方法,并结合搭建出的响应测量系统,证明了EAST上的等离子体响应的多模特性。通过测量EAST上不同比压与边界安全因子q95下的等离子体响应,并与MARS-F程序的计算结果进行对比,我们发现在当前EAST运行区,流体模型已经可以很好的模拟等离子体对三维场的响应。以此为基础,我们利用全新的多模等离子体响应测量方法研究了EAST上等离子体响应的基本特性,发现主模与次模的幅值有不同的q95依赖特性,且它们对空间各处的响应测量会有不同程度的贡献。由此就会导致不同位置的探针测量到不同的q95依赖特性,这一点也被实验所证实,更进一步证明了EAST上等离子体响应本身的多模特性。三、基于EAST上等离子体响应的多模特性,利用新提出的多模分析方法,系统研究了各响应模式对边界局域模控制效果的影响,证明了台基区顶部有较强共振性的模式,与边界局域模控制效果息息相关。通过在不同q95条件下,对比n=2与n=3情况下各模式的ΔφUL依赖关系和边界局域模控制效果,我们发现与边界局域模控制效果强相关的那支模式,不论它是主模还是次模,其台基区顶部的共振分量总是更强的。这项研究表明,在理解边界局域模控制的物理机制时,多模等离子体响应的贡献必须要被考虑进来,而台基区顶部共振分量更强的那支模式,对边界局域模控制效果至关重要。四、使用n=2与n=3的混合环向模数三维场,在EAST/DⅢ-D国际合作实验中成功实现了对边界局域模的抑制,并从非线性等离子体响应的角度,揭示了其背后边界分量渗透导致边界局域模抑制的物理机制。研究发现,利用混合环向模数三维场,可以有效降低边界局域模抑制所需的电流阈值。这表明混合环向模数三维场提供了一种更好的控制边界局域模的途径。同时,叠加误差场矫正可以有效提升边界局域模抑制期间的等离子体约束性能。此外,通过等离子体响应的分析,发现边界n=3分量的渗透对于此过程中的边界局域模抑制起了主导作用。并通过引入强屏蔽和强渗透旋转模型,模拟了边界局域模缓解与抑制期间的等离子体响应模结构,并通过与实验测量的对比,进一步佐证了这一推论。本研究推动了对托卡马克中边界局域模控制等三维场相关物理问题的理解,并进一步证明了三维场线圈提升托卡马克等离子体约束与稳定性的作用。这有助于优化ITER的运行方案,并提升未来聚变堆的经济型与实用性。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TL631.24
【部分图文】：

还会通过三维场线圈主动引入具有环向不对称性的三维场。这种三维场线圈通??常由一组或多组沿环向分布的线圈构成，每个线圈中通有不同幅度的电流，由??此便会在托卡马克中产生具有环向不对称性的三维场。图１．２展示了正在建设的??２??

??馨??图１．１?ＩＴＥＲ托卡马克的结构及其内部部件意图??中国、俄罗斯、韩国和美国共同资助和运行的国际热核聚变实验反应堆ＩＴＥＲ??（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ?Ｔｈｅｒｍｏｎｕｃｌｅａｒ?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?Ｒｅａｃｔｏｒ）己经在建设中。图?１．１?展示了??ＩＴＥＲ托卡马克的结构与内部部件示意图。除了?ＩＴＥＲ的七方成员外，澳大利亚??与哈萨克斯坦也分别在２０１６与２０１７年成为了?ＩＴＥＲ的非成员技术合作方，承接??部分ＩＴＥＲ的建设与测试任务，换取ＩＴＥＲ的研宄成果。这些都表明，托卡马克??己经成为国际上可控核聚变研宄的热点，与其相关的各种工程与物理问题，也都??有深入研究的价值与意义。??托卡马克的一个基本的特性，就是其环向对称性，各种参量／沿着环向０??都是不变的（＃?＝?〇）。由此便可将托卡马克中的物理问题，简化为二维问题：各??Ｑ（ｆ）??种参量只用考虑其径向与极向分布，而在环向上是均匀的，无需考虑。但是，微??小的环线不对称性在工程上总是无法避免的

（Ｃ－ｃｏｉｌｓ）??图２．１?ＤＩＨ－Ｄ上的三维场线圈??图２．１展示的是ＤＩＩＩ－Ｄ上的三维场线圈，包括早期的１１＝１线圈，位于真空室??外用于误差场矫正的Ｃ线圈，位于真空室内用于边界局域模控制的Ｉ线圈。除了??１１＝１线圈，其余的三维场线圈均是由一组或多组沿环向分布的线圈构成。??早期的三维场线圈主要是用于矫正装置的固有误差场，所以又被称为误差??场线圈。后来，三维场线圈逐渐被应用于其它领域，比如电阻壁模控制、边界局??域模控制等，再被称为误差场线圈己经不合适了。由于在过去的理解中，三维场??主要是通过其共振分量对等离子体产生作用，所以这种线圈又被称为共振磁扰??动（Ｒｅｓｏｎａｎｔ?Ｍａｇｎｅｔｉｃ?Ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ，或?ＲＭＰ）线圈。??７??
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本文编号：2862321