托卡马克台基等离子体不稳定性的非线性模拟与分析
发布时间：2021-06-21 21:56
托卡马克台基区等离子体对整体约束起关键作用,一方面高台基顶部压强（或台基高度）能增强芯部等离子体约束,另一方面台基区大压强梯度产生强的不稳定性,增强热流和粒子流输运到第一壁和偏滤器,对边界材料产生潜在的严重损伤。因此,台基区等离子体不稳定性的研究对实现高约束运行有重要意义,本文使用较高可拓展性的BOUT++双流体模型框架,深入分析了 EAST和DⅢ-D托卡马克边界的线性不稳定性和非线性演化过程。台基不稳定性包括气球模、剥裂模和漂移-阿尔芬波（DAW）等,抗磁效应、剪切阿尔芬波和剪切流等能抑制不稳定性。本文首先线性模拟和分析抗磁效应和剪切流对气球模的影响,色散关系被用于定性分析这些效应的物理机制,得到气球模和抗磁效应的分析结果与模拟一致。然而,色散关系的局域性,并不适用于研究剪切流的全局作用。为了更精确的分析这些效应的贡献,以及剪切流对气球模的影响,本文提出了积分色散关系,即模结构的数值积分解色散关系,得到不同物理项的线性增长率。另外,利用动能在全空间的数值积分,分析不同物理效应对自由能的贡献。上述线性分析表明气球模不稳定性由曲率驱动,提供自由能;抗磁效应和剪切流抑制曲率驱动,吸收自由能...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１托卡马克（左）和仿星器（右）的磁场几何位形示意图⑴
第１章绪?论??子和离子，也可能激发等离子体不稳定性，形成鱼骨模等［３＾］，最终需要通过偏??滤器（Ｄｉｖｅｒｔｏｒ）排出。偏滤器是托卡马克边界的一个重要装置，偏滤器如图１．２??‘Ｄｉｖｅｒｔｏｒ’所示，另外边界等离子体打到靶板上产生的杂质，也需要通过偏滤器??排出，否则氦灰和杂质的积累会向内输运，影响等离子体稳定性。??＿??图１．２?ＣＦＥＴＲ托卡马克横截面示意图，偏滤器为图中Ｄｉｖｅｒｔｏｒ所示的绿色装置，Ｓｈｉｅｌｄ??ｂｌａｎｋｅｔ表示包层１７１。注意，最新的ＣＦＥＴＲ设计不包括下斜（Ｐｏｒｔ?ｐｌｕｇ?３）窗口。??目前国内主要运行的磁约束装置有托卡马克装置ＥＡＳＴ、ＨＬ－２Ａ和Ｊ－ＴＥＸＴ??等，反场箍缩装置ＫＴＸ。在建的托卡马克装置有ＨＬ－２Ｍ。国际上主要有美国ＧＡ??的ＤＩＩＩ－Ｄ、ＭＩＴ的Ａｌｃａｔｏｒ?Ｃ－Ｍｏｄ、普林斯顿大学的球马克ＮＳＴＸ－Ｕ、欧盟的ＪＥＴ、??德国的托卡马克ＡＳＤＥＸ－Ｕ和仿星器Ｗｅｎｄｅｌｓｔｅｉｎ７－Ｘ、法国的ＷＥＳＴ、瑞士的??ＴＣＶ和英国的球马克ＭＡＳＴ等。在建的大型托卡马克有ＩＴＥＲ，以及设计中的??ＣＦＥＴＲ，这两个装置都基于目前运行的托卡马克实验数据，外推到大尺度装置，??理论上能实现氘氚核聚变和能量增益。??１＿２托卡马克边界等离掷简介??托卡马克边界和芯部物理差异比较大，芯部密度和温度高，碰撞率比较小，??需要考虑等离子体沿磁力线的回旋运动效应，边界密度和温度相对较低，碰撞率??比较大，回旋效应相对较弱，电磁流体适用于边界大部分物理分析。托卡马克边??界由台基区（Ｐｅｄｅｓｔａｌ）和刮削层（（ＳＯＬ）组成，台基区如图１．３所示的Ｐｅｄｅｓｔａ丨区??域［
?第１章绪?论???域，等离子体在ＳＯＬ区域会沿着磁力线打到偏滤器靶板上，以及径向输运到第??一壁。托卡马克边界等离子体对整体约束有很重要的作用，一方面边界等离子??体与壁接触，边界等离子体温度密度越低，对材料损伤也就越校另一方面台基??顶部等离子体与芯部联系，芯部需要高温高密等离子体发生聚变反应，高台基顶??部有利于增大芯部温度和密度。因此，若台基区形成陡的密度温度梯度，能明显??提高芯部参数，增加储能，这种特点的运行模式称为Ｈ模（Ｈ－ｍｏｄｅ）。图１．３展示??ＤＩＩＩ－Ｄ中Ｈ模（Ｈ－ｍｏｄｅ）和Ｌ模（Ｌ－ｍｏｄｅ），相比Ｌ模，Ｈ模台基区电子温度和密??度梯度比较陡，台基顶部密度温度比较高。另外，Ｈ模的优点是随着注入功率的??增加，约束性能上升，而Ｌ模则会随着功率上升而下降。因此，Ｈ模对提高等离??子体约束有重要意义，本文主要研宄托卡马克Ｈ模放电条件下，边界等离子体??的不稳定性和湍流。??ＤＩＩＩ－Ｄ??．⑷？二?￣ｐｅｄｅｓｔａｌ??。６．隊’?￥??１．０?Ｍ?／?Ｔｅ（ｋｅＶ）?？?？??。５＿＾％?：??１４４９７７??０．８?０．９?１．０??Ｒａｄｉｕｓ?（ｔ｜＞）??图１．３?ＤＩＩＩ－Ｄ中电子密度和温度的Ｈ模和Ｌ模剖面１＊１。??ＤＩＩＩ－Ｄ托卡马克中Ｈ模放电的不同参量随时间演化如图１．４所示，在１０００ｍｓ??附近，随着注入功率的增加，等离子体实现了?Ｌ模到Ｈ模（Ｌ－Ｈ）转换，储能（Ｓｔｏｒｅｄ??ｅｎｅｒｇｙ）和边界压强都明显增加。在Ｈ模阶段，偏滤器耙板热通量（Ｄｉｖｅｒｔｏｒ?ｈｅａｔ??ｆｌｕｘ）周期性的爆发，这种现象称为边界局域模（ＥＬＭｓ）爆发，ＥＬＭｓ定
本文编号：3241482
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１托卡马克（左）和仿星器（右）的磁场几何位形示意图⑴
第１章绪?论??子和离子，也可能激发等离子体不稳定性，形成鱼骨模等［３＾］，最终需要通过偏??滤器（Ｄｉｖｅｒｔｏｒ）排出。偏滤器是托卡马克边界的一个重要装置，偏滤器如图１．２??‘Ｄｉｖｅｒｔｏｒ’所示，另外边界等离子体打到靶板上产生的杂质，也需要通过偏滤器??排出，否则氦灰和杂质的积累会向内输运，影响等离子体稳定性。??＿??图１．２?ＣＦＥＴＲ托卡马克横截面示意图，偏滤器为图中Ｄｉｖｅｒｔｏｒ所示的绿色装置，Ｓｈｉｅｌｄ??ｂｌａｎｋｅｔ表示包层１７１。注意，最新的ＣＦＥＴＲ设计不包括下斜（Ｐｏｒｔ?ｐｌｕｇ?３）窗口。??目前国内主要运行的磁约束装置有托卡马克装置ＥＡＳＴ、ＨＬ－２Ａ和Ｊ－ＴＥＸＴ??等，反场箍缩装置ＫＴＸ。在建的托卡马克装置有ＨＬ－２Ｍ。国际上主要有美国ＧＡ??的ＤＩＩＩ－Ｄ、ＭＩＴ的Ａｌｃａｔｏｒ?Ｃ－Ｍｏｄ、普林斯顿大学的球马克ＮＳＴＸ－Ｕ、欧盟的ＪＥＴ、??德国的托卡马克ＡＳＤＥＸ－Ｕ和仿星器Ｗｅｎｄｅｌｓｔｅｉｎ７－Ｘ、法国的ＷＥＳＴ、瑞士的??ＴＣＶ和英国的球马克ＭＡＳＴ等。在建的大型托卡马克有ＩＴＥＲ，以及设计中的??ＣＦＥＴＲ，这两个装置都基于目前运行的托卡马克实验数据，外推到大尺度装置，??理论上能实现氘氚核聚变和能量增益。??１＿２托卡马克边界等离掷简介??托卡马克边界和芯部物理差异比较大，芯部密度和温度高，碰撞率比较小，??需要考虑等离子体沿磁力线的回旋运动效应，边界密度和温度相对较低，碰撞率??比较大，回旋效应相对较弱，电磁流体适用于边界大部分物理分析。托卡马克边??界由台基区（Ｐｅｄｅｓｔａｌ）和刮削层（（ＳＯＬ）组成，台基区如图１．３所示的Ｐｅｄｅｓｔａ丨区??域［
?第１章绪?论???域，等离子体在ＳＯＬ区域会沿着磁力线打到偏滤器靶板上，以及径向输运到第??一壁。托卡马克边界等离子体对整体约束有很重要的作用，一方面边界等离子??体与壁接触，边界等离子体温度密度越低，对材料损伤也就越校另一方面台基??顶部等离子体与芯部联系，芯部需要高温高密等离子体发生聚变反应，高台基顶??部有利于增大芯部温度和密度。因此，若台基区形成陡的密度温度梯度，能明显??提高芯部参数，增加储能，这种特点的运行模式称为Ｈ模（Ｈ－ｍｏｄｅ）。图１．３展示??ＤＩＩＩ－Ｄ中Ｈ模（Ｈ－ｍｏｄｅ）和Ｌ模（Ｌ－ｍｏｄｅ），相比Ｌ模，Ｈ模台基区电子温度和密??度梯度比较陡，台基顶部密度温度比较高。另外，Ｈ模的优点是随着注入功率的??增加，约束性能上升，而Ｌ模则会随着功率上升而下降。因此，Ｈ模对提高等离??子体约束有重要意义，本文主要研宄托卡马克Ｈ模放电条件下，边界等离子体??的不稳定性和湍流。??ＤＩＩＩ－Ｄ??．⑷？二?￣ｐｅｄｅｓｔａｌ??。６．隊’?￥??１．０?Ｍ?／?Ｔｅ（ｋｅＶ）?？?？??。５＿＾％?：??１４４９７７??０．８?０．９?１．０??Ｒａｄｉｕｓ?（ｔ｜＞）??图１．３?ＤＩＩＩ－Ｄ中电子密度和温度的Ｈ模和Ｌ模剖面１＊１。??ＤＩＩＩ－Ｄ托卡马克中Ｈ模放电的不同参量随时间演化如图１．４所示，在１０００ｍｓ??附近，随着注入功率的增加，等离子体实现了?Ｌ模到Ｈ模（Ｌ－Ｈ）转换，储能（Ｓｔｏｒｅｄ??ｅｎｅｒｇｙ）和边界压强都明显增加。在Ｈ模阶段，偏滤器耙板热通量（Ｄｉｖｅｒｔｏｒ?ｈｅａｔ??ｆｌｕｘ）周期性的爆发，这种现象称为边界局域模（ＥＬＭｓ）爆发，ＥＬＭｓ定
本文编号：3241482
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