托卡馬克中外扭曲模與電阻壁模的數(shù)值研究.pdf

1、博士學(xué)位論文托卡馬克中外扭曲模與電阻壁模的數(shù)值研究NumericalStudiesofExternaIKinkModeandResistiveWaMode■●1Inl0kamaks學(xué)11002016答辯日期：2Q!墨!!!12墨大連理工大學(xué)DalianUniversityofTechnology大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文摘要在托卡馬克等離子體中，外扭曲模是一種極為重要的大尺度磁流體不穩(wěn)定模式，它是主要由等離子體的電流和壓強驅(qū)動導(dǎo)致、增長時

2、間尺度為阿爾芬時間cA的不穩(wěn)定模式，它會限制在實驗中獲取更高D參數(shù)的聚變等離子體，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致等離子體柱扭曲碰壁而產(chǎn)生大破裂。理論上，外扭曲模可以被足夠靠近等離子體的外加理想導(dǎo)體壁完全地抑制住。這是因為當(dāng)磁擾動發(fā)生時，理想導(dǎo)體壁上會立即產(chǎn)生感應(yīng)渦旋電流并產(chǎn)生抵抗磁擾動的磁場。但是真正的理想導(dǎo)體壁并不存在。實際的導(dǎo)體壁都有一定電阻，電阻的存在就使得抵抗磁擾動的感應(yīng)渦旋電流不能夠立即響應(yīng)，從而產(chǎn)生一種新的不穩(wěn)定模式，即電阻壁模，其增長時間

3、尺度為導(dǎo)體壁中產(chǎn)生的渦旋電流的衰減時間下。。由于電阻壁模增長緩慢，在早先的研究中并沒有得到重視。在先進超導(dǎo)托卡馬克裝置中，要求獲得長脈沖運行時間的穩(wěn)態(tài)的聚變等離子體，穩(wěn)態(tài)運行的時間尺度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電阻壁模增長的時間尺度。因此，對電阻壁模的研究顯得尤為重要。本論文首先運用MARSF程序數(shù)值研究了平衡電流剖面對外扭曲模的影響，而后運用MARSF程序和MARSK程序，數(shù)值地研究了在不同的等離子體旋轉(zhuǎn)剖面下，平行粘滯阻尼和動理學(xué)阻尼對電阻壁模不穩(wěn)

4、定性的影響，并深入研究了ITER中等離子體剪切流對電阻壁模穩(wěn)定性的影響，具體內(nèi)容如下：在第一章中，簡要介紹了磁約束核聚變主要裝置托卡馬克的發(fā)展，以及其中存在的磁流體不穩(wěn)定性問題。簡要地介紹了能量原理和簡正模法兩種研究磁流體不穩(wěn)定性問題的方法，并介紹了MARS程序的物理模型。在第二章中，運用MARSF程序，采用線性化的磁流體模型，研究了托卡馬克中平衡電流剖面對外扭曲模的影響。研究選取了三種電流剖面：第一種為一組拋物型平衡電流剖面，研究和討

5、論了平衡電流梯度和跳變對外扭曲模增長率的影響；第二種為一組階梯型平衡電流剖面，研究和討論了跳變位置對外扭曲模的影響；第三種為一組帶有電流包的拋物型平衡電流剖面，研究和討論了電流包的幅值、位置以及寬度對外扭曲模的影響。在第三章中，針對ITER裝置，采用三種等離子體旋轉(zhuǎn)剖面，數(shù)值研究了聲波阻尼和動理學(xué)阻尼對電阻壁模穩(wěn)定性的影響。在本章工作中，分別運用了MARSF程序和MARSK程序，并且考慮了均勻的、在q=2有理面處帶有負(fù)剪切和在q=2有理