【摘要】：作為一種磁約束裝置,托卡馬克是目前實(shí)現(xiàn)可控核聚變從而終極解決人類能源問(wèn)題最可行的方式之一。高約束模式(H-mode)運(yùn)行方式使托卡馬克更容易達(dá)到臨界點(diǎn)火條件,因而成為國(guó)際熱核聚變反應(yīng)堆(ITER)計(jì)劃的主要工作模式。過(guò)去三十余年,H模的一些關(guān)鍵物理依然未得到完全理解,如邊界區(qū)的不穩(wěn)定性、湍流輸運(yùn),以及L與H相互間的轉(zhuǎn)化機(jī)制。經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展,基于第一性原理的回旋動(dòng)理學(xué)模擬已經(jīng)成為研究托卡馬克湍流和輸運(yùn)的主要工具。本文通過(guò)回旋動(dòng)理學(xué)模擬(GTC代碼)詳細(xì)研究了HL-2A近期的幾炮H模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于靜電模,模擬得出它主要是捕獲電子模(TEM),其非線性的頻率和模數(shù)與實(shí)驗(yàn)一致。我們發(fā)現(xiàn)H模的邊界區(qū)域中,在線性情況下呈現(xiàn)的是非常規(guī)的氣球模結(jié)構(gòu),其模結(jié)構(gòu)的峰值并不像傳統(tǒng)L模下那樣局域在極向投影面的外側(cè)中平面附近,而是出現(xiàn)極向角局域在0到27r任何位置或者在極向出現(xiàn)多峰。通過(guò)掃描梯度參數(shù),線性最不穩(wěn)定模的頻率也與L模那支不同,而是有頻率的跳變,梯度大于某臨界值時(shí)跳變到另一支。非線性譜的逆級(jí)聯(lián)(cascading)過(guò)程,也并不像傳統(tǒng)的那樣是多模耦合導(dǎo)致的,而更像是單模自身的非線性演化的疊加所致。解析上我們通過(guò)求解簡(jiǎn)化模型方程,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中其實(shí)有系列不穩(wěn)定性模存在,也即有系列本征態(tài)(類似量子力學(xué)中的能級(jí))。弱梯度的L模,最不穩(wěn)定的(也即實(shí)驗(yàn)上最明顯的)是基態(tài),對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)的氣球模結(jié)構(gòu)；強(qiáng)梯度的H模,最不穩(wěn)定的通常是非基態(tài),其模結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)非常規(guī)模結(jié)構(gòu)。從而L-H的轉(zhuǎn)換可能類似于能級(jí)的跳變。通過(guò)非線性的模擬,我們發(fā)現(xiàn),強(qiáng)梯度下帶狀流對(duì)輸運(yùn)并不像一般認(rèn)為的有抑制作用而是幾乎無(wú)影響。更有意思的是非線性輸運(yùn)也有一個(gè)臨界梯度存在,當(dāng)邊界梯度超過(guò)該值,隨著梯度的增加輸運(yùn)系數(shù)反而降低,這為L(zhǎng)-H轉(zhuǎn)換提供了一種新的微觀機(jī)制。物理本質(zhì)上可能因?yàn)榫�性模結(jié)構(gòu)的變化使得徑向關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度變短,從而導(dǎo)致輸運(yùn)特性改變,比如從弱梯度下的擴(kuò)散與對(duì)流并存轉(zhuǎn)為更接近于純擴(kuò)散輸運(yùn)。完整的研究應(yīng)該考慮電磁效應(yīng),但是這個(gè)領(lǐng)域十幾年的理論和模擬研究依然不太成功,即使是線性的頻率也還無(wú)法使代碼間或代碼與實(shí)驗(yàn)做到一一對(duì)應(yīng)。理論上,一般認(rèn)為H模下最主要的電磁模是動(dòng)理學(xué)氣球模(KBM)。我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于這支模,其增長(zhǎng)率和頻率對(duì)平衡磁場(chǎng)的具體實(shí)現(xiàn)方式極為敏感。而靜電擾動(dòng)為主的TEM和ITG(離子溫度梯度模)兩支并不那么敏感。因此,TEM和ITG的模擬研究相對(duì)更成功,而KBM模擬目前依然與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TL631.24;O533

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