论文部分内容阅读
在托卡马克中,聚变反应或者辅助加热产生的高能粒子会与阿尔芬本征模相互作用,高能粒子会将自身的自由能传递给阿尔芬本征模,从而引起阿尔芬本征模的不稳定,反之不稳定的阿尔芬本征模也会影响高能粒子的输运,使其在空间上重新分布,因此本文从这两个方面开展模拟研究。首先基于DIII-D两个的具有反剪切磁场位形放电实验#166496和#159243,对磁流体—动理学混合程序NOVA-K和回旋朗道流体程序TGLFEP进行验证,这两次实验分别为高声稳态放电实验和L模放电的电流爬升阶段,在这两次实验中,均观测到阿尔芬本征模被中性束加热生成的高能粒子所激发。与实验的诊断结果相同,两个程序的模拟结果均显示,在#166496实验中,低环向模数(n=1～2)的环效应阿尔芬本征模(TAE)被激发;而在#159243实验中,低环向模数(n=2～6)的反剪切阿尔芬本征模(RSAE)被激发。然后将这两个程序应用到中国聚变工程实验堆(CFETR)的模拟分析中,主要用来预测聚变产生的α粒子所激发的阿尔芬本征模的不稳定性,由于CFETR特殊的安全因子剖面,阿尔芬本征模的增长率会随着环向模数的增长而发生周期性变化,并且产生在有理面附近的RSAE,其增长率总是大于TAE的增长率。此外两个程序的模拟结果都显示在这个基础上再考虑500keV的离轴的中性束注入,会使阿尔芬本征模的增长率进一步增加。论文还进一步分析了CFETR的安全因子剖面的变化对阿尔芬本征模的影响,模拟结果显示安全因子最小值qmin的增加会使RSAE变得更不稳定,而如果保持qmim不变,通过增加磁轴位置的安全因子q0的方式增加负的磁剪切则可以使RSAE变得稳定。另外,增加背景等离子体密度,则会缩短高能粒子的慢化时间并增加电子碰撞阻尼,从而有利于阿尔芬本征模的稳定。本文对高能粒子输运的研究主要基于临界梯度模型并使用动理学输运程序EPtran进行模拟,其中最重要的输入参数高能粒子临界梯度则需要使用TGLFEP模拟得到。首先本文基于DIII-D#142111放电实验525ms时刻,使用NOVA-K验证了TGLFEP计算的临界梯度的准确性,通过模拟与实验的对比表明,EPtran程序计算的高能粒子径向压强剖面与诊断结果是很接近的,只有在边界处略高于诊断结果,这是因为在边界处该程序只考虑了湍流引起的高能粒子损失。然后使用同样的模拟方法对CFETR稳态运行方案和混合运行方案中的高能粒子输运进行预测。模拟结果表示,稳态运行方案中主要由不稳定的TAE驱动α粒子输运,而在混合运行方案中则是不稳定的比压引起的阿尔芬本征模(BAE)驱动α粒子输运。相比之下,由于混合运行方案中,α粒子的高压强梯度区域的径向宽度比较窄,而且阿尔芬本征模在径向上也比较集中,因此阿尔芬本征模对高能粒子输运的驱动比较小。由于混合运行方案的初始高能粒子密度高,因此在达到稳态时芯部沉积的高能粒子密度比较高。