【摘要】：宏觀磁流體不穩(wěn)定性是等離子體大破裂的主要原因之一。例如,由等離子體壓強(qiáng)梯度、等離子體電流以及高能量粒子(Energetic particles,EPs)驅(qū)動(dòng)的電阻壁模(Resistive Wall Mode,RWM)、環(huán)向阿爾芬本征模(Toroidal Alfvén Eigenmode,TAE)等。RWM 不穩(wěn)定性會(huì)限制等離子體高β的獲得,從而限制能量增益因子的值。由快粒子驅(qū)動(dòng)的TAE不穩(wěn)定性則會(huì)引起快粒子的損失與再分布,降低能量約束水平。因此,對(duì)這些不穩(wěn)定性的深入研究對(duì)未來(lái)核聚變的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。RWM的穩(wěn)定方法有兩種:利用反饋線圈的主動(dòng)控制和旋轉(zhuǎn)等離子體結(jié)合各種能量耗散機(jī)制的被動(dòng)控制。到目前為止,主動(dòng)控制的研究和理解已經(jīng)相對(duì)成熟,但是被動(dòng)控制的研究還存在一系列的問題,如穩(wěn)定RWM所需等離子體環(huán)向旋轉(zhuǎn)閾值的大小、存在的能量耗散機(jī)制等。此外,快粒子在穩(wěn)定RWM的同時(shí)會(huì)激發(fā)類魚骨模(Fishbone-like Mode,FLM)不穩(wěn)定性。另一方面,對(duì)TAE的研究通常假設(shè)等離子體邊界滿足固定邊界條件,即忽略了等離子體邊界和導(dǎo)體壁之間的真空區(qū)。實(shí)際上等離子體邊界和導(dǎo)體壁之間的真空區(qū)會(huì)對(duì)目前關(guān)于低n(n是環(huán)向模數(shù))TAE的研究結(jié)論產(chǎn)生一定的修正。因此,基于上述原因,本論文采用理論分析和數(shù)值計(jì)算的方法主要研究RWM和TAE的動(dòng)力學(xué)行為,同時(shí)也對(duì)快粒子激發(fā)的FLM不穩(wěn)定性做一些簡(jiǎn)單地討論。第一章,簡(jiǎn)要介紹本文的研究背景,研究目的,磁流體(MHD)不穩(wěn)定性的描述方程和研究方法,主要介紹RWM和TAE的研究進(jìn)展,并對(duì)本文所采用的研究工具M(jìn)ARS程序做簡(jiǎn)單地說(shuō)明。第二章,在包含捕獲熱粒子動(dòng)理學(xué)貢獻(xiàn)的情況下研究了等離子體的碰撞頻率,以及熱離子熱電子的溫度比對(duì)RWM的影響。磁流體一動(dòng)理學(xué)混合理論模型預(yù)測(cè)表明,連續(xù)地改變等離子體的碰撞頻率,熱離子和熱電子的溫度比會(huì)引起RWM的動(dòng)力學(xué)分叉。采用非擾動(dòng)的計(jì)算方法在環(huán)位型下也可以得到定性一致的分叉現(xiàn)象。研究結(jié)果表明該分叉現(xiàn)象不依賴于等離子體的碰撞模型。第三章,在碰撞和無(wú)碰撞模型下,理論研究了捕獲熱粒子和快粒子的動(dòng)理學(xué)貢獻(xiàn)對(duì)RWM和FLM的影響。研究結(jié)果表明等離子體的碰撞頻率對(duì)RWM的穩(wěn)定或解穩(wěn)作用依賴于快粒子的壓強(qiáng)βh。此外,激發(fā)FLM不穩(wěn)定性的閾值βh在包含捕獲熱粒子的動(dòng)理學(xué)貢獻(xiàn)后會(huì)有顯著提高,而且該激發(fā)閾值還依賴于等離子體的碰撞頻率和等離子體環(huán)向旋轉(zhuǎn)頻率。由于FLM的頻率相對(duì)較低,等離子體慣性對(duì)FLM的影響可以被忽略。第四章,利用理論模型和數(shù)值模擬研究了電阻等離子體中RWM的動(dòng)力學(xué)行為。研究發(fā)現(xiàn),在包含環(huán)向好曲率效應(yīng)(toroidal favorable average curvature effect,GGJ)的電阻等離子體中存在兩個(gè)RWM不穩(wěn)定分支。等離子體電阻對(duì)這兩個(gè)分支的穩(wěn)定或解穩(wěn)作用依賴于等離子體環(huán)向旋轉(zhuǎn);同樣,等離子體環(huán)向旋轉(zhuǎn)對(duì)這兩個(gè)分支的影響也依賴于等離子體電阻。此外,GGJ效應(yīng)不僅可以直接影響RWM的增長(zhǎng)率,而且還可以通過改變模式的頻率而對(duì)連續(xù)性阻尼產(chǎn)生修正,從而間接地影響模式的增長(zhǎng)率。數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以很好地與理論分析結(jié)果定性符合。第五章,利用MRAS-K程序,在自由邊界條件下采用自洽的計(jì)算方法研究了由捕獲快粒子激發(fā)的n = 1TAE不穩(wěn)定性。與等離子體邊界處的固定邊界條件相比,自由邊界條件一方面能夠提高激發(fā)TAE不穩(wěn)定性所需快粒子動(dòng)理學(xué)貢獻(xiàn)的閾值,另一方面能夠在等離子體邊界處引起有限的等離子體擾動(dòng)位移。與各向同性分布相比,在粒子螺旋角空間滿足各向異性分布的快粒子會(huì)使TAE變得更加不穩(wěn)定,并且模式的結(jié)構(gòu)也變得更加全域。等離子體電阻對(duì)快粒子激發(fā)的TAE不穩(wěn)定性也有穩(wěn)定作用。連續(xù)地增加快粒子初始能量,會(huì)引起動(dòng)理學(xué)修正的理想扭曲模向環(huán)向阿爾芬本征模的轉(zhuǎn)化。一些特定的物理參數(shù)如快粒子的動(dòng)理學(xué)貢獻(xiàn)、平衡等離子體的壓強(qiáng)、等離子體的電阻、快粒子的分布函數(shù)、快粒子的初始能量會(huì)對(duì)TAE的模結(jié)構(gòu)有修正作用。這一修正作用只有在采用非擾動(dòng)的計(jì)算方法時(shí)才可以觀察到。更重要的是計(jì)算結(jié)果表明,在臨界穩(wěn)定點(diǎn)TAE具有不同于常規(guī)TAE的模結(jié)構(gòu)。最后是對(duì)本論文的總結(jié)和對(duì)未來(lái)工作的展望。
【圖文】：

Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ａｎｄ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ邋ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎｓ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ｆｕｓｉｏｎ逡逑ｒｅａｃｔｉｏｎｓ邋Ｄ－Ｄ，邋Ｄ－Ｔ邋ａｎｄ邋Ｄ－Ｈｅ３［２１．逡逑圖１．１是不同聚變反應(yīng)所對(duì)應(yīng)反應(yīng)截面0？與能量之間的依賴關(guān)系。從圖中可以發(fā)現(xiàn)逡逑在所有聚變反應(yīng)中氖－l#反應(yīng)具有其他聚變反應(yīng)不可比擬的優(yōu)勢(shì)一在較低的能量下具有逡逑較大的反應(yīng)截面。這也是為什么未來(lái)的聚變反應(yīng)中首選Ｄ－Ｔ反應(yīng)的原因。從原料獲取來(lái)逡逑看，自然界中Ｄ的儲(chǔ)量豐富，一升海水約含有３５ｇ氘。Ｔ在地球上的含量雖然非常少，逡逑但是依然可以有多種方式獲得：（１）中子與鋰反應(yīng)；（２）在探月技術(shù)成熟的情況下，從逡逑月球上獲取，因?yàn)樵谠虑蛏嫌兄控S富的Ｔ。從聚變反應(yīng)的產(chǎn)物來(lái)講，Ｏｆ粒子（ｉＨｅ）逡逑－２邋－逡逑

邐直接驅(qū)動(dòng)逡逑娜O嗗義賢跡保補(bǔ)咝栽際郾淶募浣憂橢苯憂疽饌跡保保蕁ｅ義希疲椋紓澹保插澹櫻耄澹簦悖楨澹錚駑澹簦瑁邋澹椋睿洌椋潁澹悖翦澹洌潁椋觶澹鑠澹幔睿溴澹洌椋潁澹悖翦澹洌潁椋觶澹鑠澹媯錚蟈澹椋睿澹潁簦椋幔戾澹悖錚睿媯椋睿澹恚澹睿翦澹媯酰螅椋錚睿歟保蓿義嫌爰浣憂啾齲眉す庵苯憂芄患跎俁鄖芰康男棖�，但要求靶丸能够受辶x系階愎瘓鵲那蚨猿普丈洌⑶以誥郾涔討杏瀉芎玫牧魈邐榷ㄐ�。要蠔V拱型璧奶寤義夏芄槐瘓妊顧醯皆寤模保玻�？１／３０就应该市M涿懇桓齜較虻氖芰Χ家齲虼誦楨義弦す饈哂瀉芎玫畝猿菩浴⒔細(xì)叩木沸�，这样才能避免由又R劑媳慌縟氳兔芏惹義弦鵜芏忍荻仍斐傻牧魈宥ρР晃榷ㄐ�。此外，，惯性噪H從Φ氖奔浜芏�，謸]屑父鰣義掀っ耄ǎ逼っ氳扔冢蓖蛞詵種幻耄頭諾乃彩蹦芰烤藪�，因创T躍郾痰目刂鋪岢鰣義狹司藪蟮奶粽�。辶x希保保泊旁際巴鋅砜說(shuō)壤胱猶逯械囊恍┕丶錮砦侍忮義洗旁際鞘迪趾司郾淶牧硪恢址絞劍荽緦Ｗ釉詿懦≈械腦碩媛�，设碱H苠義瞎輝際呶碌壤胱猶宓拇懦∥恍

本文編號(hào)：2641228