【摘要】：在先進(jìn)托卡馬克(高比壓、大自舉電流、長脈沖)中,例如ITER裝置,電阻壁模不穩(wěn)定性備受人們關(guān)注,因?yàn)樗拗屏搜b置的比壓,影響未來聚變反應(yīng)堆的經(jīng)濟(jì)效益。電阻壁模被認(rèn)為是外扭曲模與導(dǎo)體壁相互作用后的殘余部分,而外扭曲模是托卡馬克中最危險(xiǎn)的磁流體不穩(wěn)定性之一,其模式結(jié)構(gòu)具有全局性,一般由等離子體電流或壓強(qiáng)驅(qū)動(dòng),一旦增長起來將造成等離子體大破裂。理論研究發(fā)現(xiàn)足夠靠近等離子體邊界的理想導(dǎo)體壁能完全穩(wěn)定住外扭曲模,但是由于實(shí)際導(dǎo)體壁中有限的電阻,外扭曲模會(huì)變成一種增長緩慢的不穩(wěn)定模式,其增長率從阿爾芬時(shí)間尺度下降到導(dǎo)體壁的電阻擴(kuò)散時(shí)間尺度,這種新的不穩(wěn)定模式被稱為電阻壁模,雖然它的增長率很小,但是當(dāng)放電時(shí)間大于導(dǎo)體壁電阻擴(kuò)散時(shí)間時(shí),如先進(jìn)托卡馬克長脈沖或穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,電阻壁模會(huì)緩慢增長起來,它也具有全局的性質(zhì),通常模式在未達(dá)到飽和之前就可能導(dǎo)致等離子體大破裂,引起托卡馬克放電的終止。電阻壁模限制著磁約束聚變裝置的運(yùn)行參數(shù)空間(放電時(shí)間和比壓),為了使先進(jìn)托卡馬克的經(jīng)濟(jì)效益最大化,穩(wěn)定電阻壁模至關(guān)重要。穩(wěn)定電阻壁模的方法主要有兩種：一種是基于環(huán)向等離子體旋轉(zhuǎn)的被動(dòng)方法,另外一種是基于反饋線圈控制的主動(dòng)方法。在過去二十幾年的研究里一般都是單獨(dú)考慮被動(dòng)方法或主動(dòng)方法對(duì)電阻壁模的穩(wěn)定作用,然而在實(shí)際的托卡馬克裝置實(shí)驗(yàn)中,等離子體旋轉(zhuǎn)和反饋控制是同時(shí)存在的,因此研究兩者對(duì)電阻壁模的協(xié)同作用是非常重要的,也是必要的。為此,我們基于JET-like平衡運(yùn)用MARS程序系統(tǒng)地研究了等離子體旋轉(zhuǎn)與反饋控制對(duì)電阻壁模的協(xié)同作用,同時(shí)在研究中考慮了不同的阻尼效應(yīng)。首先在磁流體模型下數(shù)值研究了等離子體旋轉(zhuǎn)、反饋控制單獨(dú)對(duì)電阻壁模的穩(wěn)定作用,并與兩者協(xié)同作用時(shí)的結(jié)果比較,發(fā)現(xiàn)等離子體旋轉(zhuǎn)結(jié)合反饋控制能幫助電阻壁模產(chǎn)生兩個(gè)穩(wěn)定窗。其次在動(dòng)理學(xué)模型下數(shù)值研究了進(jìn)動(dòng)漂移動(dòng)理學(xué)效應(yīng)結(jié)合等離子體流以及反饋控制對(duì)電阻壁模的穩(wěn)定作用,發(fā)現(xiàn)負(fù)相位角能增強(qiáng)協(xié)同作用,減小穩(wěn)定電阻壁模所需要的臨界反饋增益幅值。最后用解析方法驗(yàn)證了動(dòng)理學(xué)模型下等離子體旋轉(zhuǎn)與反饋控制對(duì)電阻壁模協(xié)同作用時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果的正確性,發(fā)現(xiàn)最優(yōu)化的上下反饋線圈相位角能穩(wěn)定電阻壁模。本文安排如下：第一章,簡單介紹了核聚變能源的研究背景以及托卡馬克中各種磁流體不穩(wěn)定性,其中包括電阻壁模的研究進(jìn)展。第二章,簡要描述了MARS程序的數(shù)值模型,主要介紹了程序是如何實(shí)現(xiàn)環(huán)向等離子體旋轉(zhuǎn)與反饋控制對(duì)電阻壁模的協(xié)同作用,以及漂移動(dòng)理學(xué)效應(yīng)如何通過壓強(qiáng)張量耦合到線性化磁流體方程組中形成一個(gè)自洽的系統(tǒng)。第三章,運(yùn)用磁流體模型系統(tǒng)地研究了托卡馬克中等離子體旋轉(zhuǎn)與反饋對(duì)電阻壁模的協(xié)同作用,發(fā)現(xiàn)反饋控制結(jié)合旋轉(zhuǎn)阻尼能幫助電阻壁模在靠近等離子體邊界處產(chǎn)生一個(gè)新的穩(wěn)定窗。其中等離子體旋轉(zhuǎn)對(duì)兩個(gè)穩(wěn)定窗都有影響,而反饋增益主要影響新穩(wěn)定窗的范圍,隨著增益幅值的加大,模式增長率逐漸減小,穩(wěn)定窗范圍擴(kuò)大。協(xié)同作用時(shí),等離子體電阻起著重要的穩(wěn)定作用。第四章,結(jié)合進(jìn)動(dòng)漂移動(dòng)理學(xué)效應(yīng)和等離子體電阻研究了電阻壁模的穩(wěn)定性變化,發(fā)現(xiàn)相比理想等離子體模型,等離子體電阻能擴(kuò)大穩(wěn)定區(qū)域。當(dāng)進(jìn)動(dòng)漂移動(dòng)理學(xué)效應(yīng)與反饋控制協(xié)同作用時(shí),電阻壁模也能產(chǎn)生兩個(gè)穩(wěn)定窗,并且當(dāng)上下反饋線圈之間無相位差時(shí),負(fù)相位角能促使電阻壁模沿著等離子體旋轉(zhuǎn)的方向運(yùn)動(dòng),增強(qiáng)共振阻尼效應(yīng),減小穩(wěn)定電阻壁模所需要的臨界增益幅值。第五章,解析研究了動(dòng)理學(xué)模型下等離子體旋轉(zhuǎn)與反饋控制對(duì)電阻壁模的協(xié)同作用,并驗(yàn)證了以上數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。求解電阻壁模的非線性色散方程能得到四個(gè)根。同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)上下對(duì)稱的反饋線圈中存在相位差時(shí),優(yōu)化的相位角能增強(qiáng)協(xié)同作用,完全穩(wěn)定住電阻壁模。第六章,對(duì)本文的研究結(jié)果進(jìn)行總結(jié),并展望未來的工作。
【圖文】：

而且線圈之間相互嵌套，安裝拆卸困難。一種方法是用一組同一電流方向的螺旋線逡逑圈代替原來的兩種線圈，而它們產(chǎn)生的垂直方向磁場由另一組水平方向的垂直場線圈抵逡逑消，如圖１．３所示日本ＬＨＤ仿星器。另外一種方案是將環(huán)向場線圈的中也不再排列在逡逑同一平面的圓周上，，而是排列在一個(gè)繞圓周的螺旋線上。仿星器中歐姆驅(qū)動(dòng)或外部驅(qū)動(dòng)逡逑的環(huán)向電流很小甚至為零，它是自然的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行裝置，激發(fā)大破裂的可能性小，但是它逡逑的線圈工藝復(fù)雜、單粒子約束性能差。逡逑Ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ邋ｃｏｉｌｓ逡逑Ｐｌａｓｍａ邋ｓｈａｐｅ逡逑圖１．３邋ＬＨＤ仿星器示意圖ｌ＂］逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＬＨＤ【＂］逡逑反場貓縮ＩＳ＇１１１是一種環(huán)形軸對(duì)稱磁約束聚變裝置，它的螺旋磁場由等離子體電流產(chǎn)逡逑生的極向磁場與外部線圈產(chǎn)生的環(huán)向磁場構(gòu)成，且在中私處的環(huán)向磁場和邊緣處的磁場逡逑反向，如圖１．４所示，由此可Ｗ產(chǎn)生很強(qiáng)的磁剪切，對(duì)磁流體不穩(wěn)定性有致穩(wěn)作用。在逡逑反場濕縮中環(huán)向磁場與極向磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度接近，所需要的外部線圈中的電流小。另逡逑夕ｈ在理論上反場貓縮可通過歐姆加熱到點(diǎn)火條件，相比其他加熱手段，歐姆加熱簡逡逑單、高效、低廉

Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｆｉｅｌｄ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＲＦｐｌｉｉ］逡逑托卡馬克ｎ４’邋ｉｓ］也是一種軸對(duì)稱的環(huán)形聚變裝置，擁有螺旋磁場公，與反場纏縮相似，逡逑但托卡馬克的環(huán)向磁場馬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于極向磁場度，，如圖１．５所示。托卡馬克（ｔｏｋａｎｍｋ）逡逑一詞由俄語＂ｔｏｒｏｋｌ，ｋａｍｅｒａ，邋ｍ巧ｎｉｔ，邋ｋａｔｕｓｈｋａ＂縮寫而來，意思為＂環(huán)形真空磁籠＂，它逡逑是由前蘇聯(lián)庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維奇發(fā)明的，第一個(gè)托卡馬克命名為Ｔ－１。托卡逡逑馬克的主體包括兩大部分：真空系統(tǒng)和磁場系統(tǒng)。真空系統(tǒng)由容納等離子體的真空室和逡逑抽氣系統(tǒng)組成，真空室一般由薄壁不鎊鋼制成，既要考慮到足夠的機(jī)械強(qiáng)度，又要有足逡逑少＂逡逑邐＝－邐＾邐———＞逡逑Ｒ逡逑圖１．５托卡馬克磁場示意圖Ｍ逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋打ｅｌｄ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｔｏｋａｍａｋ［ｉ４１逡逑－８－逡逑
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TL631.24

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6 記者 邰舉;韓超導(dǎo)裝置首次實(shí)現(xiàn)高能量模式[N];科技日?qǐng)?bào);2010年

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8 記者　 吳濤 王暉軍;揚(yáng)州導(dǎo)線點(diǎn)亮中國“人造太陽”[N];揚(yáng)州日?qǐng)?bào);2006年

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3 遲源;J-TEXT托卡馬克診斷中性束注入器系統(tǒng)與電荷交換復(fù)合光譜譜儀設(shè)計(jì)與搭建[D];華中科技大學(xué);2015年

4 余文f

本文編號(hào)：2662042