【摘要】：外加螺旋場在托卡馬克等離子體中具有重要的作用。一方面,利用外加螺旋場可以控制撕裂模等宏觀磁流體不穩(wěn)定性(如：邊界局域模、新經(jīng)典撕裂模、電阻壁模等),提高等離子體約束性能,獲得穩(wěn)定運(yùn)行的聚變等離子體。另一方面,外加螺旋場的作用會(huì)影響等離子體約束,特別是粒子約束。因此,系統(tǒng)的研究和理解外加螺旋場對(duì)撕裂模不穩(wěn)定性和粒子輸運(yùn)的作用機(jī)理是未來聚變堆積極應(yīng)用外加螺旋場的基礎(chǔ)。 在J-TEXT托卡馬克上,利用外加螺旋場觀察到了m/n=2/1撕裂模的鎖模、部分抑制、完全抑制以及完全抑制后的鎖模。針對(duì)實(shí)驗(yàn)觀測,本文利用單流體模擬從定量上很好的重現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果,從定性上給出了螺旋場與撕裂模的作用機(jī)理與物理圖像。螺旋場對(duì)撕裂模的作用表現(xiàn)出不同的作用區(qū)間,依次為撕裂模抑制、小磁島鎖模和場穿透。研究螺旋場與撕裂模的作用機(jī)理,發(fā)現(xiàn)螺旋場對(duì)撕裂模貢獻(xiàn)凈的致穩(wěn)作用和減速作用。螺旋場對(duì)撕裂模作用的這一本質(zhì)決定了在合適條件下撕裂模會(huì)被抑制、等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)被減速。當(dāng)磁島寬度較小、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率較大、等離子體粘滯較強(qiáng)和阿爾芬速度較小時(shí),螺旋場貢獻(xiàn)的致穩(wěn)效應(yīng)將會(huì)占主導(dǎo)而導(dǎo)致撕裂模被抑制,同時(shí)等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)變化較小。另外,從數(shù)值上首次發(fā)現(xiàn)小磁島鎖模,該磁島寬度小于線性層寬度、與等離子體流發(fā)生解耦,并鎖在螺旋場的致穩(wěn)區(qū)。小磁島鎖模的發(fā)現(xiàn),首次從數(shù)值模擬上將撕裂模抑制、場穿透這兩種截然不同的現(xiàn)象聯(lián)系在了一起。 基于螺旋場對(duì)撕裂模作用機(jī)理的理解,本文開展了螺旋場緩解密度極限破裂和控制新經(jīng)典撕裂模的應(yīng)用探索。首先,在J-TEXT上利用螺旋場成功實(shí)現(xiàn)對(duì)密度極限破裂前兆的有效控制,提高了極限密度(-15%)、延緩了破裂發(fā)生時(shí)間。其次,數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,螺旋場可以有效控制NTMs的增長,螺旋場控制NTMs存在一個(gè)較大的致穩(wěn)區(qū)間,螺旋場貢獻(xiàn)的致穩(wěn)作用遠(yuǎn)大于自舉電流的解穩(wěn)作用,從而將NTMs控制在很小的尺度,而對(duì)等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)影響很小。經(jīng)過系統(tǒng)的數(shù)值研究,發(fā)現(xiàn)在NTMs發(fā)展的早期,磁島寬度較小、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率較高時(shí),利用螺旋場很容易抑制NTMs的增長。 本文在J-TEXT上研究了靜態(tài)螺旋場影響粒子輸運(yùn)的實(shí)驗(yàn)特征,確證了螺旋場對(duì)粒子輸運(yùn)的共振效應(yīng),即螺旋場的作用僅改變共振面以內(nèi)的等離子體密度。利用密度調(diào)制,測量了螺旋場作用下的粒子輸運(yùn)系數(shù),發(fā)現(xiàn)螺旋場會(huì)增大粒子擴(kuò)散系數(shù)、降低粒子對(duì)流速度,導(dǎo)致徑向向外的粒子輸運(yùn)增強(qiáng)、粒子約束時(shí)間減小三分之一。更重要的是,首次研究了轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋場對(duì)粒子輸運(yùn)的作用,發(fā)現(xiàn)當(dāng)螺旋場轉(zhuǎn)動(dòng)頻率高于共振面電子流的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率時(shí),螺旋場會(huì)導(dǎo)致共振面以內(nèi)的密度增加、粒子約束得到改善,反之密度會(huì)下降。且密度變化量與兩者的轉(zhuǎn)差頻率成線性關(guān)系。這一發(fā)現(xiàn),首次從實(shí)驗(yàn)上揭示了等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)頻率在螺旋場影響粒子輸運(yùn)中起著重要作用,對(duì)于目前螺旋場控制邊界局域模中的粒子輸運(yùn)的理解有著重要意義。 針對(duì)螺旋場影響粒子輸運(yùn)的實(shí)驗(yàn)研究,本文基于雙流體模型介紹了解析分析,并結(jié)合模擬從定量和定性上對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了解釋,發(fā)現(xiàn)等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)頻率在粒子輸運(yùn)中起著重要作用。數(shù)值模擬給出的密度演化直觀的描述了共振效應(yīng)的基本過程,即螺旋場首先引起共振面位置的密度發(fā)生變化,最終傳播到等離子體芯部,導(dǎo)致共振面以內(nèi)的密度發(fā)生變化,而共振面以外的密度保持不變。通過系統(tǒng)的數(shù)值研究,發(fā)現(xiàn)螺旋場影響粒子輸運(yùn)的兩個(gè)作用區(qū)間,即線性輸運(yùn)區(qū)間和大磁島輸運(yùn)區(qū)間。線性輸運(yùn)區(qū)間的密度變化量相對(duì)較小,與解析分析相符。大磁島輸運(yùn)區(qū)間的密度變化由磁島和螺旋場兩項(xiàng)的作用決定,磁島促使內(nèi)區(qū)密度變平,共振面以內(nèi)密度降低。增大磁島寬度、粒子擴(kuò)散系數(shù)和等離子體碰撞頻率,減小等離子體粘滯,磁島對(duì)粒子輸運(yùn)的作用將占主導(dǎo),從而主要觀察到密度降低。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TL631.24;O53
【圖文】：

華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文上列方程中，A = + %劍壤胱猶逅俁齲

本文編號(hào)：2717473