【摘要】：目前,共振磁擾動(dòng)技術(shù)已經(jīng)在世界上多個(gè)托卡馬克裝置實(shí)驗(yàn)中被證實(shí)可以用來控制邊界磁流體不穩(wěn)定性,以及等離子體與壁相互作用。近年來,東方超環(huán)(EAST)全超導(dǎo)托卡馬克裝置實(shí)驗(yàn)表明低雜波可以在刮削層區(qū)域產(chǎn)生沿著磁力線的螺旋電流絲,從而明顯地改變邊界磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種磁擾動(dòng)不僅可以被用于緩解邊界局域模,還可以用來改善偏濾器靶板上的熱流和粒子流分布。在此背景之下,本論文系統(tǒng)地研究了低雜波引起的磁拓?fù)渥兓瘜吔绲入x子體輸運(yùn)的影響。本文首先簡要介紹了磁擾動(dòng)技術(shù)在托卡馬克裝置中的應(yīng)用,以及邊界等離子體輸運(yùn)程序EMC3-EIRENE的理論模型。EMC3-EIRENE程序由基于三維邊界等離子體流體模型的蒙特卡洛程序EMC3和基于動(dòng)理學(xué)模型的中性粒子輸運(yùn)程序EIRENE耦合而成。通過對該程序計(jì)算網(wǎng)格的優(yōu)化,本文首次模擬了低雜波產(chǎn)生的擾動(dòng)磁場對三維邊界等離子體電子密度、電子溫度和馬赫數(shù),以及偏濾器靶板熱流和粒子流的影響。模擬結(jié)果能夠與多種邊界實(shí)驗(yàn)診斷數(shù)據(jù)相符合。結(jié)果表明,由于平行于磁力線的輸運(yùn)比擴(kuò)散輸運(yùn)強(qiáng)得多,三維邊界磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠很明顯地反映在等離子體屬性中。結(jié)合以往實(shí)驗(yàn)觀測,模擬結(jié)果同樣支持低雜波引起的螺旋電流絲的電流隨著低雜波注入功率的增大而增大。這不僅會(huì)通過拓寬邊界隨機(jī)區(qū)而加深附加輸運(yùn)通道的滲透深度,而且能夠影響靶板熱流或粒子流在分裂打擊點(diǎn)和原打擊點(diǎn)上的比例。同時(shí),三維模擬還顯示,擾動(dòng)磁場產(chǎn)生的附加輸運(yùn)通道將引起熱負(fù)荷在不同靶板之間的重新分配。此外,在EAST實(shí)驗(yàn)上觀測到,利用超聲分子束注入技術(shù)和低雜波引起的磁擾動(dòng)能夠改變靶板熱流和粒子流的三維分布。為了揭示其背后的物理機(jī)制,本文使用EMC3-EIRENE程序首次在模擬上重現(xiàn)了該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,并對其作出了定性的物理解釋。在邊界等離子體區(qū)域,注入的中性粒子的離子化產(chǎn)生的電子和離子將沿著磁通管直接打在偏濾器靶板上,從而導(dǎo)致分裂打擊點(diǎn)上的熱流和粒子流的進(jìn)一步升高。結(jié)合邊界磁拓?fù)涞亩囿w瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu),本文從模擬的角度提出可以通過調(diào)節(jié)超聲分子束的注入位置或者擾動(dòng)磁場的相位來主動(dòng)調(diào)控靶板的熱流和粒子流分布,以均化邊界等離子體對靶板的侵蝕,延長偏濾器的使用壽命。
【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
【圖文】：

托卡馬克本質(zhì)上是一種環(huán)形的低壓氋溫等離子體放電裝置。在托卡馬克裝置逡逑中，溫度為幾千電子伏特的氘和氚離子在磁場的約束下能夠克服庫倫場產(chǎn)生的排逡逑斥力，發(fā)生核聚變反應(yīng)，生成《粒子和逃逸到周圍環(huán)境中的快中子。圖１．２顯示逡逑了托卡馬克裝置基本的原理。圍繞著真空室的環(huán)向線圈將產(chǎn)生縱向磁場但是逡逑單純的縱向磁場并不能用來約束等離子體。因?yàn)榇丝v場的場強(qiáng)會(huì)沿著徑向衰減逡逑（冉ｏｃｌ／Ｒ，邋Ｒ為大半徑位置），進(jìn)而引起電荷分離，產(chǎn)生垂直電場，導(dǎo)致等離子逡逑體整體的徑向漂移而破裂。為了克服這一難題，將托卡馬克裝置中的等離子體環(huán)逡逑看作變壓器電路中的次級線圈，通過改變中心線圈的電流在等離子體內(nèi)部激發(fā)出逡逑環(huán)向的感應(yīng)電流。該電流將產(chǎn)生極向磁場，其與縱場結(jié)合，使托卡馬克內(nèi)部的磁逡逑力線呈螺旋結(jié)構(gòu)。帶電粒子沿著這些螺旋磁力線做環(huán)繞運(yùn)動(dòng)，交替出現(xiàn)在強(qiáng)場側(cè)逡逑和弱場側(cè)，從而阻止了垂直方向上的電荷分離，并增加了粒子約束時(shí)間。在實(shí)際逡逑的裝置中

托卡馬克中的偏濾器位型可以由附加的極向場線圈來實(shí)現(xiàn)。將線圈中通以與逡逑等離子體電流方向相同的電流來產(chǎn)生額外的磁場。當(dāng)磁場強(qiáng)度足夠大，將某一點(diǎn)逡逑的極向磁場減弱為０時(shí)，磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將發(fā)生改變，如圖１．４所示［６］，此種位型便逡逑為偏濾器位型。其中極向磁場為０的點(diǎn)成為Ｘ點(diǎn)，其所在的磁面稱為最外閉合逡逑磁面，此磁面上的安全因子趨于無窮大。最外閉合磁面以外的區(qū)域稱為刮削層區(qū)逡逑４逡逑

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2 王時(shí)佳;王少杰;;托卡馬克聚變等離子體參數(shù)演化的數(shù)值模擬[J];電子科技;2017年06期

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本文編號：2742744