【摘要】：受控?zé)岷司圩兊年P(guān)鍵問題之一是如何約束高溫等離子體。多極Galatea磁阱是一種緊湊型磁約束裝置,具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、比壓高等優(yōu)點。多極Galatea磁阱是利用浸入在等離子體中的多個通電導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁場來實現(xiàn)約束,裝置中的等離子體是否能達到穩(wěn)定的宏觀平衡,是滿足勞森判據(jù)的前提,而磁場位形則是影響等離子體穩(wěn)定平衡約束的關(guān)鍵因素�；诖�,本文圍繞多極Galatea磁阱等離子體宏觀平衡和磁場位形兩個層面開展研究。其中,宏觀平衡研究包括動態(tài)平衡特性分析以及靜態(tài)平衡特性分析;磁場位形研究包括磁阱磁場位形的優(yōu)化設(shè)計以及磁場與等離子體參數(shù)的關(guān)系。為了研究等離子體的宏觀動態(tài)平衡特性,本文以流體的連續(xù)方程、動量方程、能量守恒方程和電磁場方程為基礎(chǔ),建立了多極Galatea磁阱二維等離子體磁流體數(shù)學(xué)模型,通過仿真求解,獲得了等離子體的動態(tài)分布特性以及等離子體動態(tài)平衡過程所造成的接觸損失機制。為了減少接觸損失,提出了向盲鰻線圈中通入線性遞增電流,以減少盲鰻線圈附近區(qū)域等離子體數(shù)密度的方法。為了驗證所提方法對多極Galatea磁阱的適用性,對所建立的二維磁流體模型進行了仿真,分析了盲鰻線圈中通入不同遞增速率的線性遞增電流對等離子體動態(tài)平衡過程的影響。在裝置調(diào)試和運行時,為了實現(xiàn)對等離子體的平衡控制,需要準確地知道等離子體的平衡位形,因此需要研究等離子體靜態(tài)平衡性問題。本文在建立多極Galatea磁阱等離子體靜態(tài)平衡模型的基礎(chǔ)上,給出了基于求解GradShafranov平衡方程實現(xiàn)等離子體平衡計算及反演的方案。在該方案中,建立了等離子體電流密度分布模型,計算獲得了磁阱及等離子體參數(shù)對平衡位形穩(wěn)定性的影響規(guī)律,給出了設(shè)計垂直磁場線圈參數(shù)的方法,提出了基于Green函數(shù)邊界法與FDM內(nèi)網(wǎng)點法相結(jié)合實現(xiàn)Grad-Shafranov平衡方程快速求解的方法。同時,還引入了最小二乘擬合法,結(jié)合磁探針測量數(shù)據(jù),實現(xiàn)了等離子體電流密度分布模型的參數(shù)確定和等離子體電流修正。仿真計算得到了多極Galatea磁阱的內(nèi)部磁面分布、等離子體電流分布和等離子體壓強分布等。實驗結(jié)果驗證了平衡反演的有效性。為了更穩(wěn)定地約束等離子體,需改善多極Galatea磁阱裝置中等離子體的能量分布,獲得更合理的磁阱裝置設(shè)計參數(shù)和更高的約束性能。本文在對磁阱特征參數(shù)進行詳細分析的基礎(chǔ)上,建立了以盲鰻線圈電流為設(shè)計變量,以外部盲鰻線圈軸向電磁力、弱磁場區(qū)面積和磁阱深度為優(yōu)化目標的多目標優(yōu)化函數(shù)。針對不同的障壁磁場,選定不同的權(quán)重系數(shù),利用改進的多種群遺傳算法MPGA進行尋優(yōu)設(shè)計,并利用所構(gòu)建的磁流體模型對優(yōu)化前后的磁場位形和等離子體分布情況進行了仿真。仿真結(jié)果驗證了所提優(yōu)化方法的可行性和有效性。在裝置調(diào)試和運行時,為了快速反饋磁阱中等離子體的實時參數(shù),本文在對多極Galatea磁阱中等離子體的逆磁效應(yīng)進行詳細分析的基礎(chǔ)上,提出了利用等離子體逆磁電流計算等離子體分界面處壓強、能量約束時間和溫度等參數(shù)的方法。該方法通過對多極Galatea磁阱進行二維磁流體建模和仿真分析,總結(jié)出逆磁電流的分布特點,對其進行合理的區(qū)域劃分,進而建立逆磁電流與等離子體參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型。通過逆磁測量系統(tǒng)的測量結(jié)果和所提數(shù)學(xué)模型,仿真計算得到了障壁磁場對等離子體關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律。通過實驗測量結(jié)果與仿真計算結(jié)果的對比,驗證了所提方法的可行性和有效性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TL612
【圖文】：

第 1 章 緒 論形、真空室、磁和線圈。20 世紀 60-70 年代T-3，研究者在該裝置上開展了多次實驗并取約束時間達到玻姆時間的 30 倍，電子溫度究者的廣泛關(guān)注[7]。70 年代以后，托卡馬克國紛紛建造自己的托卡馬克裝置。其中，比：由多個國家共同建設(shè)的國際熱核聚變堆方超環(huán) EAST 以及中國正在組建的中國聚

圖 1-2 W7-x 仿星器結(jié)構(gòu)圖Fig.1-2 The structure diagram of W7-x stellarator device生的磁感應(yīng)強度為 3T，在 2016 年進行了第一輪實子溫度為 10keV，離子溫度為 2keV 的等離子體，間達到 6s[16,17]。目前裝置正在升級改造，改造后電持續(xù)時間達到 30min[18]，已經(jīng)非常接近托卡馬克磁場位形與托卡馬克類似，它們均有非常強的環(huán)形

【參考文獻】

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1 金洪波;曹延杰;王e

本文編號：2727777