【摘要】：為了實(shí)現(xiàn)聚變裝置中高溫等離子體的安全穩(wěn)定運(yùn)行,我們?cè)贓AST托卡馬克上利用共振磁擾動(dòng)(RMP)對(duì)磁流體力學(xué)不穩(wěn)定性進(jìn)行了大量主動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn),并觀察到了明顯的等離子體環(huán)向旋轉(zhuǎn)制動(dòng)現(xiàn)象,即出現(xiàn)磁制動(dòng)效應(yīng)。本論文中,我們采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)合新經(jīng)典環(huán)向粘滯(NTV)理論模擬相對(duì)比的方法,對(duì)EAST上的磁制動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)性研究,以期能有助于深入理解磁擾動(dòng)對(duì)等離子體旋轉(zhuǎn)造成影響的物理機(jī)制,并最終解決制約未來(lái)裝置運(yùn)行的磁流體力學(xué)不穩(wěn)定性問(wèn)題。我們通過(guò)動(dòng)量輸運(yùn)分析計(jì)算出了能反映等離子體旋轉(zhuǎn)變化的實(shí)驗(yàn)制動(dòng)力矩,并與NTV理論所預(yù)言的力矩進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果顯示,NTV力矩總體上能夠很好地和實(shí)驗(yàn)觀察力矩相吻合。NTV力矩模擬采用考慮了主要的共振以及非共振區(qū)間貢獻(xiàn)的NTVTOK程序。在環(huán)向模數(shù)n=1的靜態(tài)RMP中,總的NTV力矩與總的實(shí)驗(yàn)力矩比較接近。模擬結(jié)果顯示,在EAST中離子的反彈漂移共振在等離子體芯部對(duì)NTV力矩有十分明顯的貢獻(xiàn),而在靠近邊界位置離子環(huán)向進(jìn)動(dòng)共振起主導(dǎo)作用,因而在相應(yīng)的等離子體芯部和邊界形成兩個(gè)峰值。實(shí)驗(yàn)力矩分布也呈現(xiàn)了類似的雙峰結(jié)構(gòu),其中邊緣的峰值與NTV力矩十分接近,但在芯部量值差異較大。依然存在的差異可能是由于在響應(yīng)場(chǎng)的模擬中低估了芯部等離子體的徑向磁面位移。在n=4的靜態(tài)RMP中,也呈現(xiàn)類似的規(guī)律。我們利用RMP相位差掃描研究了共振磁擾動(dòng)譜型改變對(duì)于制動(dòng)效果的影響,結(jié)果顯示,等離子體的旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)周期性的演化,計(jì)算出的實(shí)驗(yàn)力矩同樣也具有周期性并與模擬計(jì)算的NTV力矩變化趨勢(shì)一致。這是由于平衡磁面上共振磁擾動(dòng)強(qiáng)度在相位差掃描場(chǎng)下出現(xiàn)周期性的變化,從而使得磁面位移發(fā)生周期性改變,導(dǎo)致NTV力矩也出現(xiàn)了周期性的變化并與實(shí)驗(yàn)力矩的變化趨勢(shì)一致。另外,q95的改變使磁擾動(dòng)譜中的共振條件發(fā)生了變化,也會(huì)導(dǎo)致力矩與RMP相位差的依賴關(guān)系發(fā)生改變。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TL631.24
【圖文】：

邐第二章托卡馬克上的磁制動(dòng)效應(yīng)綜述邐逡逑大環(huán)徑比近似下（ｒ／／？Ｑ？ｌ）托卡馬克中的磁場(chǎng)強(qiáng)度可近似寫成［１７］：逡逑４邋Ｂ。Ｇ邋－云Ｈ邋（２＿Ｄ逡逑其中Ｂｅ為磁軸上的磁場(chǎng)強(qiáng)度，為磁軸所在的大半徑，ｒ？為小半徑，如圖２．邋１（ａ）逡逑所示。可知高場(chǎng)側(cè)和低場(chǎng)側(cè)的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)磁阱，如圖２．１邋（ｂ）所示，磁逡逑場(chǎng)有沿－及方向的梯度Ｐｆｉ，具有不同速度的帶電粒子在這個(gè)磁阱中的運(yùn)動(dòng)可形成逡逑不同的軌跡。逡逑ｚ逡逑

逡逑的邊界，構(gòu)成一個(gè)損失錐，如圖２．３所示。臨界角心可定義為：逡逑ｃｏｓ６ｃ邋＝邋—邋？邋（２ｒ／／？０）１／２邐（２．３）逡逑ｖ逡逑因而可通過(guò)積分得知俘獲粒子所占比例：逡逑＼邋ｒｎ￣＾ｃ邐ｒ２７ｒ邋ｒ００邐／２ｒ＼１＾２逡逑／邋＝邋—邋Ｊ邋ｓｉｎｄｄＯ邋Ｊ邋ｄ（ｐ邋Ｊ邋ＦＭ（ｖ）ｖ２ｄｖ邋＝邋ｃｏｓｄｃ邋？邋＼＾￣Ｊ邐？ｆ邋＂２邐（２．４）逡逑其中ｅ邋＝邋ａ／／＾為倒環(huán)徑比。由此可知在大環(huán)徑比下只有小部分粒子被俘獲，逡逑但在實(shí)際情況中俘獲粒子往往占一半以上，因而在有限環(huán)徑比下的修正十分重要。逡逑１，N逡逑＾Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ逡逑＼邋」丨逡逑Ｍｏｄｅｒａｔｅｌｙ邋—Ｍｏｄｅｒａｔｅｌｙ逡逑ｔｒａｐｐｅｄ邋ｐａｒｔｉｃｌｅ邐ｔｒａｐｐｅｄ邋ｐａｒｔｉｃｌｅ逡逑ａｆｔｅｒ邋ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ邐ｂｅｆｏｒｅ邋ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ逡逑Ｔｒａｐｐｅｄ邋ｐａｒｔｉｃｌｅｓ逡逑圖２．３［１８］速度空間中俘獲－非俘獲粒子之間邊界構(gòu)成的損失錐。逡逑為了描述新經(jīng)典輸運(yùn)區(qū)別于經(jīng)典輸運(yùn)的特性，我們考慮用隨機(jī)行走模型來(lái)估逡逑計(jì)新經(jīng)典輸運(yùn)系數(shù)＝邋（４0２／Ｔ，其中Ａｆ和Ｔ分別為兩次碰撞之間的平均步長(zhǎng)和逡逑平均時(shí)間。對(duì)于通行粒子，新經(jīng)典輸運(yùn)中的擴(kuò)散系數(shù)為：逡逑（２＿５）逡逑ＥＡＳＴ中ｑ的范圍一般為３－４，可見(jiàn)通行粒子碰撞引起的新經(jīng)典輸運(yùn)系數(shù)比經(jīng)逡逑典輸運(yùn)系數(shù)Ｄｅｔ要大３０倍以上。對(duì)于俘獲粒子

容易使等離子體約束變差甚至發(fā)生破裂。因此，共振磁制動(dòng)是應(yīng)該避免的。逡逑它與非共振磁制動(dòng)最大的區(qū)別在于它的旋轉(zhuǎn)制動(dòng)作用主要集中在特定的徑向位逡逑置（有理面）上，即對(duì)應(yīng)磁島所在的磁面附近并存在撕裂模，如圖２．６所示，為逡逑ＮＳＴＸ裝置中非共振和共振磁制動(dòng)下的等離子體環(huán)向旋轉(zhuǎn)分布變化［４２］�？梢钥村义系�，電磁力矩下的制動(dòng)具有局域性，在某一位置處的旋轉(zhuǎn)速度變化比其它位置要逡逑明顯得多，并隨著時(shí)間的推移由此位置緩慢地向附近區(qū)域彌散，最終該區(qū)域的旋逡逑轉(zhuǎn)速度逐漸降低到接近于零，但遠(yuǎn)離此徑向位置仍有較明顯的旋轉(zhuǎn)速度。逡逑４０：邋０．３６５ｓ邐（ａ）：〖邐，邐（ｂ）邋１逡逑－３０：邐；：逡逑１Ｌ逡逑ｖ丨丨逡逑．３０，邐／邐？邋ｒ邐－逡逑Ｊ．．．．．邐１．，逡逑０．８邋０．９邋１．０邋１．１邋１．２邋１．３邋１．４邋１．５邐０．９邋１．０邋１．１邋１．２邋１．３邋１．４邋１．５逡逑Ｒ邋（ｍ）邐Ｒ邋（ｍ）逡逑圖２．６［４２］不同時(shí)刻的等離子體環(huán)向旋轉(zhuǎn)分布以及制動(dòng)過(guò)程中與初始旋轉(zhuǎn)速度的差值的分逡逑布對(duì)應(yīng)的兩種情形：（ａ）非共振磁制動(dòng)情形；（ｂ）共振磁制動(dòng)情形。逡逑但近年來(lái)，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)等離子體的變化往往是非局域的，并且即使在磁擾逡逑動(dòng)的共振分量被屏蔽后

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6 徐偉業(yè);徐e醵

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