【摘要】：在托卡馬克等離子體中,外扭曲模是一種極為重要的大尺度磁流體不穩(wěn)定模式,它是主要由等離子體的電流和壓強驅(qū)動導(dǎo)致、增長時間尺度為阿爾芬時間τA的不穩(wěn)定模式,它會限制在實驗中獲取更高β參數(shù)的聚變等離子體,嚴重時可能導(dǎo)致等離子體柱扭曲碰壁而產(chǎn)生大破裂。理論上,外扭曲�？梢员蛔銐蚩拷入x子體的外加理想導(dǎo)體壁完全地抑制住。這是因為當磁擾動發(fā)生時,理想導(dǎo)體壁上會立即產(chǎn)生感應(yīng)渦旋電流并產(chǎn)生抵抗磁擾動的磁場。但是真正的理想導(dǎo)體壁并不存在。實際的導(dǎo)體壁都有一定電阻,電阻的存在就使得抵抗磁擾動的感應(yīng)渦旋電流不能夠立即響應(yīng),從而產(chǎn)生一種新的不穩(wěn)定模式,即電阻壁模,其增長時間尺度為導(dǎo)體壁中產(chǎn)生的渦旋電流的衰減時間τw。由于電阻壁模增長緩慢,在早先的研究中并沒有得到重視。在先進超導(dǎo)托卡馬克裝置中,要求獲得長脈沖運行時間的穩(wěn)態(tài)的聚變等離子體,穩(wěn)態(tài)運行的時間尺度要遠遠大于電阻壁模增長的時間尺度。因此,對電阻壁模的研究顯得尤為重要。本論文首先運用MARS-F程序數(shù)值研究了平衡電流剖面對外扭曲模的影響,而后運用MARS-F程序和MARS-K程序,數(shù)值地研究了在不同的等離子體旋轉(zhuǎn)剖面下,平行粘滯阻尼和動理學阻尼對電阻壁模不穩(wěn)定性的影響,并深入研究了ITER中等離子體剪切流對電阻壁模穩(wěn)定性的影響,具體內(nèi)容如下：在第一章中,簡要介紹了磁約束核聚變主要裝置托卡馬克的發(fā)展,以及其中存在的磁流體不穩(wěn)定性問題。簡要地介紹了能量原理和簡正模法兩種研究磁流體不穩(wěn)定性問題的方法,并介紹了MARS程序的物理模型。在第二章中,運用MARS-F程序,采用線性化的磁流體模型,研究了托卡馬克中平衡電流剖面對外扭曲模的影響。研究選取了三種電流剖面：第一種為一組拋物型平衡電流剖面,研究和討論了平衡電流梯度和跳變對外扭曲模增長率的影響；第二種為一組階梯型平衡電流剖面,研究和討論了跳變位置對外扭曲模的影響；第三種為一組帶有電流包的拋物型平衡電流剖面,研究和討論了電流包的幅值、位置以及寬度對外扭曲模的影響。在第三章中,針對ITER裝置,采用三種等離子體旋轉(zhuǎn)剖面,數(shù)值研究了聲波阻尼和動理學阻尼對電阻壁模穩(wěn)定性的影響。在本章工作中,分別運用了MARS-F程序和MARS-K程序,并且考慮了均勻的、在q=2有理面處帶有負剪切和在q=2有理面處帶有正剪切的三種等離子體旋轉(zhuǎn)剖面。通過研究發(fā)現(xiàn)在流體模型下,對于前兩種等離子體旋轉(zhuǎn)剖面,電阻壁�？梢栽诤艽蟮男D(zhuǎn)頻率下(大約百分之幾的阿爾芬頻率)達到穩(wěn)定。而對于第三種等離子體旋轉(zhuǎn)剖面,并沒有發(fā)現(xiàn)電阻壁模達到穩(wěn)定的情況。通過電阻壁模的本征結(jié)構(gòu)可以看出,擾動位移分布都是全局的,在有理面附近有很大的跳變,旋轉(zhuǎn)剖面的改變對本征結(jié)構(gòu)的修正是全局的。運用MARS-K程序,采用自洽的動理學模型,研究發(fā)現(xiàn)了更低的等離子體旋轉(zhuǎn)閾值(使電阻壁模達到穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)頻率),約千分之幾的阿爾芬頻率。同樣的,動理學模型下得到的本征結(jié)構(gòu)與流體模型下的本征結(jié)構(gòu)基本一致。在第四章中,運用MARS-K程序,采用自洽的動理學磁流體模型,研究了等離子體ExB剪切流的剪切位置和剪切度對電阻壁模的影響。在本章研究中,除等離子體旋轉(zhuǎn)剖面外,均采用ITER的實驗剖面。數(shù)值計算出了符合理論預(yù)測的兩支不穩(wěn)定解。通過比較發(fā)現(xiàn),第一支解對電阻壁模不穩(wěn)定性的貢獻更大,進而系統(tǒng)地研究了剪切位置和剪切度對第一支不穩(wěn)定解的影響。第二支解的不穩(wěn)定性相對較弱,但仍然對電阻壁模不穩(wěn)定性有一定的貢獻。在第五章中,總結(jié)研究成果、展望未來工作。
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１．１核聚變研究背景逡逑當今世界，石油、煤炭和天然氣等化石能源是人類賴生存發(fā)展的主要能源，但這逡逑些化石能源的儲量枯竭和環(huán)境污染問題一直困擾著我們。如圖１．１所示，近半個世紀來，逡逑石油、煤炭和天然氣的消耗量翻了近四番，并仍保持較高的消耗速度【１］。而已探明的石逡逑油、煤炭和天然氣的儲量正面臨著枯竭ＰＫ見表１．１）：化石能源的燃燒使用，導(dǎo)致Ｃ化、逡逑Ｓ0２等氣體和煙塵的大量排放，即使采用工業(yè)技術(shù)進行處理，也無法避免的導(dǎo)致了溫室逡逑效應(yīng)、酸雨等惡劣氣候的出現(xiàn)。目前我國極為嚴重的霧桯問題也與其密切相關(guān)，部分污逡逑染嚴重地區(qū)的孩子甚至從未見過真正的藍天！逡逑世界能源消耗量逡逑２０邐Ｉ逡逑暈巧逡逑§邐二~=舅邋＾逡逑二邐．…其他逡逑皿邋０邋ｈ：；三二逡逑１９７０邐１９８０邐１９９０邋２０００邋２０１０逡逑年逡逑圖１．１世界能源消耗量，圖片摘自文獻［１］。逡逑Ｆｉｇ邋１．１邋Ｗｏｒｄ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，邋ｃｉｔｅｄ邋ｆｒｏｍ邋民ｅｆ．邋［１］．逡逑隨著社會發(fā)展，人類對能源的認識愈加科學與全面，越O喸蕉嗟難д呷銜�，，开发繎亓x銑中�、沁兩的袨赐能栽~墻餼霾豢稍偕茉慈戰(zhàn)タ萁呶侍獾奈ㄒ煌揪抖恍┬履苠義顯慈縊�、核�

本文編號：2699349