局部驱动电流抑制撕裂模不稳定性研究

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撕裂模不稳定性是托卡马克装置中磁能转化为等离子体动能和热能的方式之一。这种不稳定性可能引起托卡马克等离子体的约束变差,甚至引发大破裂。因此,研究如何在实验中避免撕裂模不稳定性的产生及撕裂模出现后的控制方法是非常重要的。为改善电流分布,在有理磁面附近加入驱动电流,实验和理论表明射频波电流驱动可以有效抑制撕裂模不稳定性。射频波电流驱动抑制撕裂模不稳定性仍有许多问题需要进一步探讨和解释。  本论文首先在直圆柱位形下,采用不可压缩磁流体模型,依据基本方程组模拟出大环径比下托卡马克等离子体的状态,然后采用高斯分布形式,引入外部驱动电流。研究了驱动电流的分布特征,包括电流分布的峰值和半高宽。然后测试不同外部电流环境下等离子体运动状态的变化,研究了直圆柱位形中外部驱动电流对2/1及3/1撕裂模的影响。模拟具有不同分布特征的外部驱动电流,或者固定电流特征不变,改变注入时间,观察不同外部条件下撕裂模磁岛宽度的变化。研究表明采取沿径向沉积具有高斯分布的外部驱动电流在有理面上的方式,能够有效减缓2/1单撕裂模及3/1双撕裂模的发展。  当2/1单撕裂模发展起来后,加入局部驱动电流,观察磁岛宽度,发现增长速度明显减缓。针对这种情况展开一系列详细研究,结果表明,局部电流幅值约占本底等离子体电流值的12%、电流沉积宽度约为小环半径的25%时,抑制效果较好。此外,研究表明,尽早加入外部驱动电流,能有效地抑制撕裂模。  当3/1双撕裂模的磁岛初始间距中等时,模式经历线性、非线性驱动、快速磁重联和重联衰减四个阶段。在两个有理面上的发展最快的模式相互耦合,驱动系统非线性发展。研究结果表明,托卡马克装置中沉积在有理面上的同向驱动电流能够有效的减缓双撕裂模的发展。电流驱动幅值约占本底等离子体电流值的4%、驱动电流沉积宽度约为小环半径的7%时,抑制效果较好。在双撕裂模进入第三阶段即快速磁重联阶段之前加入外部驱动电流,才能有效的抑制撕裂模的磁爆发。
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