托卡馬克中高能量粒子與內(nèi)扭曲模相互作用的數(shù)值模擬研究.pdf

1、由于傳統(tǒng)能源的日益枯竭，對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)利用是人類(lèi)持續(xù)進(jìn)步與發(fā)展的必然選擇。聚變能以其原料儲(chǔ)量豐富和安全干凈等特點(diǎn)成為了人類(lèi)未來(lái)發(fā)展最為理想的能源。托卡馬克是磁約束裝置中最有希望實(shí)現(xiàn)可控核聚變的實(shí)驗(yàn)方案。高能量粒子與內(nèi)扭曲模的相互作用是托卡馬克物理中一個(gè)重要的研究課題，這是由于一方面內(nèi)扭曲模觸發(fā)的鋸齒振蕩可以引起大量的高能量粒子輸運(yùn);另一方面高能量粒子可以對(duì)內(nèi)扭曲模起穩(wěn)定作用，增長(zhǎng)鋸齒振蕩的周期并最終導(dǎo)致巨型鋸齒的產(chǎn)生，而巨型鋸齒可以觸發(fā)

2、新經(jīng)典撕裂模并破壞等離子體約束，甚至導(dǎo)致等離子體破裂。
　　本論文采用磁流體-動(dòng)理學(xué)混合模型代碼M3D-K對(duì)高能量粒子與內(nèi)扭曲模相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，包括托卡馬克中高能量粒子由鋸齒崩塌引起的輸運(yùn)，以及n=1內(nèi)扭曲模的線性不穩(wěn)定性以及非線性隨時(shí)演化兩部分內(nèi)容。本論文總共分為六章，其中第一章為緒論，第二章概述了托卡馬克中高能量粒子與內(nèi)扭曲模的相關(guān)物理背景，第三章詳細(xì)介紹了所用代碼M3D/M3D-K中的磁流體-動(dòng)理學(xué)混合模型以及相

3、關(guān)數(shù)值方法，第四章與第五章是本論文主要研究的兩方面內(nèi)容，第六章對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)并提出工作展望。本論文的具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　在第四章中，我們模擬了托卡馬克中等離子體鋸齒振蕩以及高能量粒子由鋸齒崩塌引起的輸運(yùn)。磁流體模擬結(jié)果顯示了類(lèi)似于Kadomtsev模型的重復(fù)鋸齒振蕩。隨后，測(cè)試粒子方法被用來(lái)模擬研究高能量粒子由鋸齒崩塌引起的輸運(yùn)。結(jié)果顯示高能量粒子主要在鋸齒振蕩范圍內(nèi)的等離子體中心區(qū)域徑向再分布，并且在q=1之內(nèi)的粒子由于磁場(chǎng)

4、重聯(lián)效應(yīng)被輸運(yùn)到q=1面之外。此外，高能量粒子再分布的程度依賴(lài)于其拋射角與能量。對(duì)于捕獲粒子，當(dāng)其能量高于臨界能量時(shí)再分布很弱，并且此臨界能量大致與鋸齒崩塌時(shí)間成反比，且與粒子質(zhì)量無(wú)關(guān)。對(duì)于通行粒子，同向通行粒子在鋸齒模內(nèi)的再分布很強(qiáng);而反向通行粒子的再分布程度隨著粒子能量增大而減弱。兩者之間的區(qū)別是由于它們進(jìn)動(dòng)頻率的不同，反向通行粒子的進(jìn)動(dòng)頻率比同向通行粒子大得多，這導(dǎo)致了反向通行粒子輸運(yùn)更依賴(lài)于粒子能量。另外，我們研究了磁場(chǎng)擾動(dòng)和模

5、旋轉(zhuǎn)對(duì)高能量粒子輸運(yùn)的影響。分析表明磁場(chǎng)擾動(dòng)只對(duì)能量足夠高的同向通行粒子輸運(yùn)有很大影響，而模旋轉(zhuǎn)則會(huì)改變臨界能量。最后，我們估算了托卡馬克裝置例如DⅢ-D和ITER中高能量粒子的臨界能量，發(fā)現(xiàn)捕獲粒子被預(yù)測(cè)為弱輸運(yùn)，而同向通行粒子和反向通行粒子的輸運(yùn)都很強(qiáng)。
　　在第五章中，我們模擬了n=1內(nèi)扭曲模的線性不穩(wěn)定性以及非線性隨時(shí)演化。在DⅢ-D等離子體放電中發(fā)現(xiàn)了鋸齒崩塌之間的兩種m=n=1振蕩，包括有掃頻現(xiàn)象的頻率更高的類(lèi)魚(yú)骨模，

6、以及當(dāng)束離子分布變寬后出現(xiàn)的頻率更低且不變的振蕩。當(dāng)束離子用磁流體模型描述時(shí)，線性結(jié)果顯示了n=1內(nèi)扭曲模是不穩(wěn)定的，非線性結(jié)果顯示了不穩(wěn)定的內(nèi)扭曲模在鋸齒崩塌之后演化為飽和扭曲模。當(dāng)垂直熱導(dǎo)降低到小于閾值時(shí)，內(nèi)扭曲模的非線性演化由準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)飽和扭曲模轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X振蕩。當(dāng)束離子的動(dòng)理學(xué)效應(yīng)被考慮后，線性結(jié)果顯示了頻率大致為幾個(gè)kHz的n=1模被激發(fā)，并且當(dāng)束離子壓強(qiáng)更大或者徑向分布更窄時(shí)模頻率更高。非線性結(jié)果顯示了n=1模在鋸齒崩塌之后轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

7、有一定頻率的飽和扭曲模。對(duì)于較寬的離子束分布，在非線性階段的模頻率幾乎不變。然而，對(duì)于更窄的離子束分布，模頻率在非線性階段有明顯的下降。此外，我們的分析發(fā)現(xiàn)引起n=1模非線性階段飽和與旋轉(zhuǎn)的最主要機(jī)制是磁流體非線性。最后，我們討論了n=1模對(duì)于束離子分布函數(shù)的影響。在鋸齒崩塌之后，束離子在鋸齒區(qū)域內(nèi)有很強(qiáng)的徑向再分布。接著，在n=1內(nèi)扭曲模非線性飽和階段，束離子在q=1面之內(nèi)的分布變得更平。這些結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的鋸齒崩塌之間的飽和內(nèi)扭