本文關鍵詞： 磁流體不穩(wěn)定性高階諧波 等離子體極向旋轉 離子抗磁漂移效應　出處：《大連理工大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：宏觀磁流體(Magnetohydrodynamic, MHD)模式是托卡馬克等離子體中所固有的不穩(wěn)定性模式,在特定有理面上由壓強和電流驅動的MHD不穩(wěn)定模式將不可避免地被激發(fā),從而嚴重影響磁約束熱核聚變裝置(如托卡馬克、仿星器等)的約束性能。對托卡馬克等離子體約束具有破壞性的磁流體不穩(wěn)定性主要是電流在低模數有理面上驅動的大尺度撕裂模不穩(wěn)定性,如在q=1有理面上發(fā)展起來的撕裂模不穩(wěn)定性會引起托卡馬克芯部的鋸齒振蕩。對于螺旋裝置(仿星器)等離子體,壓強驅動的交換模不穩(wěn)定性限制著等離子體比壓(β)極限,并且螺旋等離子體的芯部和離軸鋸齒坍塌的前兆振蕩也與m/n=1/1模、m/n=2/1模和m/n=3/2模有關。因此本文系統(tǒng)地研究了鋸齒重聯(lián)過程中q=1有理面上的撕裂模不穩(wěn)定性、微觀物理效應對q=1有理面上高階諧波分量的影響、螺旋裝置等離子體中壓強驅動的交換模不穩(wěn)定性、以及等離子體極向旋轉對撕裂模和交換模不穩(wěn)定性的影響。論文的基本結構和主要研究內容總結如下：第一章,簡要介紹論文的研究背景和意義,概述磁流體不穩(wěn)定性的基本性質以及等離子體旋轉對撕裂模和交換模不穩(wěn)定性影響的研究現(xiàn)狀。第二章,應用簡化磁流體模型研究極向等離子體旋轉剖面對圓柱等離子體中撕裂模和開爾文-亥姆霍茲(Kelvin-Helmholtz, KH)不穩(wěn)定性的影響。由于不同旋轉強度的剪切流對撕裂模和KH模具有不同的作用,因此可得到四個區(qū)間,即撕裂模解穩(wěn)區(qū)間、撕裂模穩(wěn)定區(qū)間、穩(wěn)定窗和KH模不穩(wěn)定區(qū)間。當旋轉剪切層位于有理面外部時,剪切流的穩(wěn)定作用增強,穩(wěn)定窗區(qū)間增大。另外,在旋轉等離子體中撕裂模和KH�？梢砸l(fā)阿爾芬共振,當位于不同共振位置的多層電流片相互耦合時,流擾動及渦量擾動的剖面會被徑向展寬。第三章,應用簡化磁流體模型研究旋轉托卡馬克等離子體中離子抗磁漂移效應對q=1有理面上高階諧波分量不穩(wěn)定性的影響。發(fā)現(xiàn)較弱的離子抗磁漂移流對q=1有理面上的高階諧波分量撕裂模有穩(wěn)定作用,而較強的離子抗磁漂移流可以激發(fā)q=1的高階諧波KH不穩(wěn)定性。離子抗磁漂移流對撕裂模的影響與極向剪切流不同,兩種流的協(xié)同作用與其相對方向有關。離子抗磁漂移流可以影響鋸齒重聯(lián)時間,即對于較弱的離子抗磁漂移流而言,鋸齒重聯(lián)時間隨著離子抗磁漂移流的增大而增大；且電阻率越小,重聯(lián)過程越慢,即重聯(lián)時間越長。第四章,研究初始擾動對plasmoids形成和鋸齒重聯(lián)的影響。詳細分析了不同電阻率情況下plasmoids形成的動力學特性和相關的物理機制。發(fā)現(xiàn)減小電阻率可以有效增大高階諧波分量的能量,進而產生plasmoids和一些復雜的流結構。初始擾動的隨機相位可以在二次磁島(plasmoids)、m/n=1/1模磁島、磁軸處原始的磁力線之間形成非對稱重聯(lián)。當考慮高階諧波分量(m/n=2/2模)的較大幅值的初始擾動時,在非線性早期會出現(xiàn)兩個m/n=2/2模磁島,然后并入m/n=1/1模磁島,這與HT-7托卡馬克觀測到的實驗結果定性一致。最后研究了初始擾動幅值及隨機相位對整個非線性演化過程的影響。第五章,采用簡化磁流體力學模型研究了等離子體極向旋轉及壓強剖面對螺旋等離子體中撕裂模及交換模不穩(wěn)定性的影響。發(fā)現(xiàn)等離子體極向旋轉及壓強剖面局域展平都可以抑制交換模不穩(wěn)定性的增長。對于具有單個有理面的current carrying螺旋等離子體系統(tǒng),等離子體極向旋轉可以抑制撕裂模及交換模不穩(wěn)定性,然而較強的等離子體極向旋轉會激發(fā)KH模不穩(wěn)定性。對于具有兩個有理面的current carrying螺旋等離子體系統(tǒng),當壓強梯度位于內有理面時,m/n=1/1模的增長率更大,即壓強驅動的交換模在內有理面更不穩(wěn)定；隨著β的增大,壓強梯度位于外有理面時,t=1有理面上的高階諧波分量(如m/n=3/3模)交換模更不穩(wěn)定。當剪切層位于內有理面時,等離子體旋轉對t=1有理面上各階諧波分量不穩(wěn)定性的穩(wěn)定作用最強；隨著旋轉強度的增大,剪切層在外有理面時對m/n=1/1模的抑制作用強于其在有理面之間的情況,且t=1的高階KH不穩(wěn)定性更容易被激發(fā)。對于currentless螺旋等離子體,隨著壓強局域展平寬度的增大,交換模不穩(wěn)定性逐漸被穩(wěn)定,且高模數交換模不穩(wěn)定性比低模數更容易被穩(wěn)定。最后是對本論文研究工作的總結以及對未來工作的初步展望。
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【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TL612
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本文編號：1475675