托卡马克等离子体撕裂模和误差场渗透的双流体模拟研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zjp_22
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先进托卡马克的稳态运行通常伴随着高份额的自举电流和中空的电流分布,如中国聚变工程试验堆(CFETR)稳态运行设想中的自举电流约占总电流的80%到90%,且芯部存在强反磁剪切。虽然高份额的自举电流为完全非感应运行方案提供了可能,但具有高份额自举电流的反磁剪切运行位形很容易触发新经典双撕裂模不稳定性。撕裂模不稳定性的增长会触发磁重联,从而形成磁岛结构。这将会降低能量的约束水平,严重时会导致破裂甚至损坏聚变装置。除此之外,实验上的误差场渗透也会激发撕裂模不稳定性,并且会加速磁岛的增长。在高温等离子体研究中,研究漂移撕裂模的双流体方程要比单流体方程更加精确。因此,本论文采用四场双流体模型,数值研究了托卡马克等离子体中的漂移撕裂模及双撕裂模不稳定性。重点研究了反磁剪切位形下抗磁漂移流对撕裂模爆发性的影响,电子抗磁漂移速度对新经典双撕裂模的抑制,并结合EAST托卡马克实验给出了误差场渗透下的密度定标。论文的主要部分安排如下:第一章,简要概述了聚变能,磁约束等离子体物理基础和磁流体不稳定性。第二章,通过简化的双流体方程,数值研究了由双撕裂模引发的快速磁场重联现象。数值结果表明抗磁漂移流在双撕裂模的卢瑟福阶段具有解稳作用,但是能够有效地稳定后续的爆发性快速磁场重联。另外,我们讨论了等离子体粘滞对抑制双撕裂模爆发性的临界值((8)的影响,探讨了在小粘滞和大粘滞区间中的相关物理机制。除此之外还研究了临界粘滞((8)与电阻和粘滞之间的关系。第三章,在上一章的基础上考虑了自举电流的影响,数值研究了新经典双撕裂模的爆发性增长行为。结果表明抗磁漂移流也能够抑制新经典双撕裂模引起的快速重联现象。我们给出了抑制爆发的临界速度(10*(8)与有理面间距Δ和自举电流份额1((7)的依赖性,并研究了粒子的垂直和平行输运系数对(1(0*(8)的影响。第四章,分析了EAST装置射频波主导的加热下误差场的密度定标。实验结果表明误差场渗透阈值同密度的定标关系为(7∝9)00).4,其中(7为误差场幅值,9)0)为线平均密度。相比欧姆放电下(7∝9)0)0.5的结果,辅助加热下的实验显示出更弱的密度依赖性。将实验中的关键参数转换到理论区间中,可推断出误差场位于Waelbroeck区间,即[(7/](84)∝9)0)7/16-7/160)9/321)05/8。依据实验中的密度9)0)同温度0)、粘滞耗散时间、等离子体模频率1)0的关系,可得到与实验结果相近的预期理论结果。通过功率扫描得到的经验表达式也较好地满足Waelbroeck区间中预测的理论结果。在低杂波加热的情况下,更强的温度密度依赖关系(0)∝9)0)-0.65)导致了辅助加热下更弱的密度定标。另外,论文采用双流体模型,分别验证了辅助加热和欧姆加热下,误差场密度定标的实验诊断结果。这也为在射频波主导的L模约束条件下,误差场渗透的磁流体理论的有效性提供了验证。最后是本文的总结和展望。
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