托卡马克等离子体准线性输运理论研究

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湍流引起的反常输运是托卡马克等离子体中的一个重要课题,它会影响等离子体的密度剖面、温度剖面和转动剖面,从而影响托卡马克的约束性能。基于李变换扰动方法,回旋动理学的Vlasov方程可以写成Fokker-Planck方程的形式,可以用来系统地计算湍流扰动引起的准线性粒子流、能量流及平行动量流。本文基于李变换扰动方法,分别计算了离子回旋频段的射频波以及离子温度梯度模引起的准线性输运。第一个工作中,我们研究了平板位型下离子回旋频段的射频波引起的准线性输运。在空间均匀的情况下,离子回旋频段的射频波会引起径向粒子流、能量流及平行动量流,对应引起粒子、能量和平行动量在径向方向的再分配。这种再分配流与平衡分布函数的速度空间不均匀性有关。在空间非均匀情况下,径向流包括两部分的贡献:一部分是位型空间不均匀性驱动的,比如密度梯度和温度梯度,另一部分是速度空间不均匀性驱动的再分配流。若射频波有很强的非对称的极向波谱,则再分配流占主导地位。我们还研究了平衡平行流的影响,发现平衡平行流对输运的影响几乎可以忽略。第二个工作中,我们考虑环位型中带平衡平行流的等离子体,研究了离子与离子温度梯度模的磁漂移共振而导致的准线性输运。我们指出准线性输运流中存在由背景磁场的弯曲导致的pinch速度,这一速度与离子温度梯度模引起的粒子位型空间偏移和速度空间偏移的关联有关。我们首先采用"Grad-B model"近似来处理磁漂移共振。基于这个近似,采用李变换扰动方法计算得到的径向粒子流和径向热流的表达式与以前采用湍流均分理论计算得到的表达式很相近。平行流和流剪切并不贡献径向粒子流和径向热流,相应地,平行粘滞的径向分量也不包含密度梯度和温度梯度的贡献。我们提出一种方法来严格处理磁漂移共振,并数值研究了输运系数和输运流与宏观参数的依赖关系。我们发现,严格处理磁漂移共振后,平衡平行流和流剪切对径向粒子流和热流有贡献。在强平行流和流剪切的情况下,热流的方向会变为径向朝里。密度梯度和温度梯度也会贡献平行粘滞的径向分量,这一点与"Grad-B model"近似给出的结果不一致。我们通过分析输运系数中的被积函数,讨论了径向热流和平行粘滞的径向分量中的各pinch分量的方向与宏观参数的依赖关系,发现这些pinch分量指向可以朝里或朝外,与共振条件很相关。严格处理磁漂移共振得到的准线性输运结果是对以前文献结果的修正,有利于我们对输运机制的理解。
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