托卡马克等离子体中粒子与能量的反常输运研究

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目前已有多种输运理论来解释托卡马克等离子体的各种输运现象,包括经典输运、新经典输运以及反常输运。其中经典与新经典理论都认为输运完全归因于库伦碰撞,区别在于新经典理论考虑了环效应,但二者得到的输运系数均比实验观测值要小。这说明实际中存在着更快的能量和粒子损失途径,目前普遍认为等离子体湍流是造成横越磁力线输运的主要原因,即所谓的反常输运。  本论文利用一种反应型环形先进流体模型(Weiland模型)来研究反常输运问题。该模型的基本方程为反应型约化的Braginskii方程,这里的反应型是指流体方程组的封闭(closure)没有耗散项,其封闭只取抗磁热流项。该模型包含了多种微观不稳定性模和MHD模,并且可以计算多种输运通道,包括不同等离子体组分的粒子、动量以及能量输运。  本论文首先详细推导了Weiland模型,并解析地得到了不同输运通道的输运系数。接着验证了模型的正确性,具体做法为利用Cyclone base case这一标准算例很好地复现了Dimits非线性上移,这里相应的数值计算是通过一个输运程序来完成的。我们发现温度梯度阈值的上移是由流体共振造成的,这是因为流体共振会增强带状流,而流剪切会抑制不稳定性的发展。上移的有限宽度则归因于线性增长率造成的共振解谐(detuning)。  接下来利用Weiland模型研究了有碰撞、有限β托卡马克放电条件下的粒子流反转问题,并分别与Tore Supra实验结果和EAST放电预测模拟结果相比较,发现粒子向内输运的区域与不稳定性的模结构相关,在箍缩区域ITG模会占主导,并发现碰撞和有限β效应都会使粒子流的方向更向外(相对于EAST,ToreSupra放电参数处于低碰撞率区间)。  本文还更详细的研究了碰撞对粒子输运的影响,重点关注EAST参数条件(高碰撞率)下碰撞与粒子箍缩的关系。结果表明,碰撞对于EAST上密度剖面的维持具有重要作用,并且从解析上指出在高碰撞率区间也存在着碰撞导致粒子箍缩的可能,并且还用程序对碰撞率做了扫描,发现无论低碰撞还是高碰撞情形都可能出现粒子箍缩,在低碰撞率区间得到的结果也与之前的ITER模拟结果一致。
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