【摘要】：在托卡馬克中,聚變反應(yīng)或者輔助加熱產(chǎn)生的高能粒子會與阿爾芬本征模相互作用,高能粒子會將自身的自由能傳遞給阿爾芬本征模,從而引起阿爾芬本征模的不穩(wěn)定,反之不穩(wěn)定的阿爾芬本征模也會影響高能粒子的輸運,使其在空間上重新分布,因此本文從這兩個方面開展模擬研究。首先基于DIII-D兩個的具有反剪切磁場位形放電實驗#166496和#159243,對磁流體—動理學(xué)混合程序NOVA-K和回旋朗道流體程序TGLFEP進行驗證,這兩次實驗分別為高聲穩(wěn)態(tài)放電實驗和L模放電的電流爬升階段,在這兩次實驗中,均觀測到阿爾芬本征模被中性束加熱生成的高能粒子所激發(fā)。與實驗的診斷結(jié)果相同,兩個程序的模擬結(jié)果均顯示,在#166496實驗中,低環(huán)向模數(shù)(n=1～2)的環(huán)效應(yīng)阿爾芬本征模(TAE)被激發(fā);而在#159243實驗中,低環(huán)向模數(shù)(n=2～6)的反剪切阿爾芬本征模(RSAE)被激發(fā)。然后將這兩個程序應(yīng)用到中國聚變工程實驗堆(CFETR)的模擬分析中,主要用來預(yù)測聚變產(chǎn)生的α粒子所激發(fā)的阿爾芬本征模的不穩(wěn)定性,由于CFETR特殊的安全因子剖面,阿爾芬本征模的增長率會隨著環(huán)向模數(shù)的增長而發(fā)生周期性變化,并且產(chǎn)生在有理面附近的RSAE,其增長率總是大于TAE的增長率。此外兩個程序的模擬結(jié)果都顯示在這個基礎(chǔ)上再考慮500keV的離軸的中性束注入,會使阿爾芬本征模的增長率進一步增加。論文還進一步分析了CFETR的安全因子剖面的變化對阿爾芬本征模的影響,模擬結(jié)果顯示安全因子最小值qmin的增加會使RSAE變得更不穩(wěn)定,而如果保持qmim不變,通過增加磁軸位置的安全因子q0的方式增加負的磁剪切則可以使RSAE變得穩(wěn)定。另外,增加背景等離子體密度,則會縮短高能粒子的慢化時間并增加電子碰撞阻尼,從而有利于阿爾芬本征模的穩(wěn)定。本文對高能粒子輸運的研究主要基于臨界梯度模型并使用動理學(xué)輸運程序EPtran進行模擬,其中最重要的輸入?yún)?shù)高能粒子臨界梯度則需要使用TGLFEP模擬得到。首先本文基于DIII-D#142111放電實驗525ms時刻,使用NOVA-K驗證了TGLFEP計算的臨界梯度的準(zhǔn)確性,通過模擬與實驗的對比表明,EPtran程序計算的高能粒子徑向壓強剖面與診斷結(jié)果是很接近的,只有在邊界處略高于診斷結(jié)果,這是因為在邊界處該程序只考慮了湍流引起的高能粒子損失。然后使用同樣的模擬方法對CFETR穩(wěn)態(tài)運行方案和混合運行方案中的高能粒子輸運進行預(yù)測。模擬結(jié)果表示,穩(wěn)態(tài)運行方案中主要由不穩(wěn)定的TAE驅(qū)動α粒子輸運,而在混合運行方案中則是不穩(wěn)定的比壓引起的阿爾芬本征模(BAE)驅(qū)動α粒子輸運。相比之下,由于混合運行方案中,α粒子的高壓強梯度區(qū)域的徑向?qū)挾缺容^窄,而且阿爾芬本征模在徑向上也比較集中,因此阿爾芬本征模對高能粒子輸運的驅(qū)動比較小。由于混合運行方案的初始高能粒子密度高,因此在達到穩(wěn)態(tài)時芯部沉積的高能粒子密度比較高。
【圖文】：

題而無法普及使用，因此核能的開發(fā)利用迫在眉睫。逡逑核反應(yīng)的原理主要依賴質(zhì)能方程，也就是能量與質(zhì)量之間存在著當(dāng)量關(guān)系，逡逑由于各種元素原子核的平均結(jié)合能不同，平均結(jié)合能與原子序數(shù)的關(guān)系如圖１．１逡逑所示［１１，總體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。因此當(dāng)一個重核分裂成兩個或多個較輕逡逑的原子核時總的質(zhì)量虧損，虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成能量，這就是核裂變反應(yīng)。與之相逡逑反，聚變反應(yīng)是兩個輕原子核結(jié)合形成一個較重的原子核，在這個過程中同樣會逡逑由于質(zhì)量虧損而釋放出能量，這也同樣是太陽發(fā)熱的原理。從平均結(jié)合能的分布逡逑圖中可以看出聚變反應(yīng)所生成的能量是遠大于裂變反應(yīng)的，除此之外，聚變反應(yīng)逡逑的核燃料是氫元素的同位素，與裂變使用的鈾和钚相比更容易獲取；其次聚變反逡逑應(yīng)的生成物是原子序數(shù)較小的輕元素（如：氦），并不會產(chǎn)生高放射性的核廢料，逡逑而且這些聚變的產(chǎn)物也可以提供給其他產(chǎn)業(yè)使用；最重要的是

邐（１．５）逡逑其中》為粒子的密度，／為粒子的分布函數(shù)，是反應(yīng)截面，《是相對速度，角標(biāo)逡逑１和２代表發(fā)生反應(yīng)的兩種粒子。由圖１．２可以看出，，氘l#反應(yīng)的反應(yīng)截面需要逡逑的溫度是最低的，也就是最容易實現(xiàn)的聚變反應(yīng)，這種反應(yīng)中會生成３．５ＭｅＶ的逡逑ａ粒子，從式（１．５）可知，ａ粒子的徑向分布與背景等離子體密度和溫度分布正相逡逑關(guān)，因此ａ粒子密度從磁軸（ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ａｘｉｓ）到最外層閉合磁面（ｌａｓｔ邋ｃｌｏｓｅｄ邋ｆｌｕｘ逡逑ｓｕｒｆａｃｅ，簡稱ＬＣＦＳ）逐漸減少。通過合適的磁場位形將ａ粒子約束在等離子體芯逡逑部，使其通過碰撞將能量傳遞給背景等離子體從而維持溫度，從而達到點火條件。逡逑因為聚變反應(yīng)產(chǎn)生高能粒子的能量要遠遠大于反應(yīng)前的粒子，所以一般認(rèn)為聚變逡逑生成的高能粒子在投擲角（ｐｉｔｃｈ邋ａｎｇｌｅ）空間的分布是各向同性的（ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）。逡逑中性束注入是一種輔助加熱手段，但在加熱的同時也會引入高能粒子。在托逡逑卡馬克中
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TL631.24

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本文編號：2637403