托克马克中磁流体不稳定模式的数值研究

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磁约束热核聚变装置托克马克反应堆受等离子体的比压极限(等离子体压强与磁场压强的比值)的影响,反应堆的稳态运行需要高的比压极限值。外扭曲模作为一种宏观的磁流体力学不稳定性模式严重限制了比压极限的提高。研究发现,外扭曲模一般是由环向电流或者压强梯度驱动的,它能被一个足够靠近等离子体的理想导体壁稳定住。但是实际上,装置的导体壁都带有电阻并非理想导体壁,这时导体壁的电阻会在等离子体中激发起一种新的不稳定模式,即电阻壁模式。未来建成的先进托克马克装置ITER以及目前已经投入运行的反场箍缩装置和DⅢ-D、JT-60、JET等一些托克马克装置都期望能在高比压极限模式下运行。托克马克等离子体中,电阻壁模式不稳定性可以是由等离子体平衡压强驱动的,也可以是由等离子体平衡电流驱动的。在反场箍缩装置中,电阻壁模式不稳定性一般是由等离子体平衡电流驱动的。当等离子体放电持续时间大于磁场在导体壁中的渗透时间时,等离子体中就会产生电阻壁模不稳定性。1994年Bondeson和Ward最先发现,当等离子体旋转频率是阿尔芬频率的百分之几时,电阻壁模可以被稳定住。后来在DⅢ-D的实验验证了他们的预言。最近的实验研究显示,等离子体环向旋转比较小或者是等离子体没有环向旋转时,动理学机制在当前的托克马克装置甚至是以后的ITER装置中在稳定电阻壁模方面起到了重要的作用。本文研究了托克马克环形坐标系下,由平行电流驱动的电阻壁模式的特性。模型中考虑了等离子体压强,等离子体旋转和粘滞,并将电阻壁作了薄壁近似。模型方程采用1997年Wesson在Tokamaks一书中关于理想外扭曲模的平衡电流剖面。最不稳定的模式一般是在低模数情况下发生,所以我们研究了m/n=2/1(m为极向模数,n为环向模数)的模式,2/1模的有理面在内真空区。在等离子体和真空的交界面处连接条件满足麦克斯韦方程组和动量方程。本文中,我们将模型方程转换成本征值问题求解,所有的平衡量函数都转换为只是关于角向磁通ψ0的单一函数,应用CHEASE程序求解。然后从MHD方程组推导得出本征值方程组。最后,运用MARS程序求解本征值问题。本文主要内容如下:第二章主要研究理想外扭曲不稳定模式;第三章中主要研究壁的参数对MHD不稳定模式的影响;第四章中主要研究旋转对MHD不稳定模式的影响;在本论文的最后,我们给出了简单的总结,并给予了讨论。
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