KTX反場箍縮裝置的極向場系統(tǒng)仿真和準(zhǔn)單螺旋態(tài)數(shù)值模擬.pdf

1、科大一環(huán)KTX(Keda Torus eXperiment)是由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自主設(shè)計和建造的我國第一個用于開展反場箍縮(RFP)磁約束位形探索的大型實驗平臺。本文主要利用電路模型和RFP平衡與能量守恒原理分別對科大一環(huán)KTX進行放電模擬研究。同時利用三維電阻-粘滯MHD程序NIMROD模擬研究KTX在柱位形下的MHD不穩(wěn)定性和準(zhǔn)單螺旋態(tài)(QSH)。
　　首先，KTX環(huán)形等離子體的徑向平衡主要由成形場線圈提供的垂直場來維持。同時

2、，由于極向場線圈，被動導(dǎo)體和等離子體之間的耦合效應(yīng)，銅殼上感應(yīng)的渦流也影響等離子體的平衡。在不考慮被動導(dǎo)體和平衡場線圈上輔助電源投入的情況下，建立了一個等效電路模型區(qū)分析平衡場線圈的動態(tài)性能。在此基礎(chǔ)上，將穩(wěn)定銅殼考慮進去，并結(jié)合雙C結(jié)構(gòu)，即利用等離子體，極向場線圈與穩(wěn)定銅殼三者之間的耦合效應(yīng)，進一步分析了在KTX運行過程中，被動導(dǎo)體上感應(yīng)的渦流的時間空間分布及其產(chǎn)生的垂直場空間分布情況。結(jié)果表明，在KTX運行的第一階段，主動控制線圈和

3、被動導(dǎo)體上渦流能夠提供足夠的垂直場維持等離子體徑向平衡，之后由于殼上有限電阻造成渦流的衰減，要想維持等離子體平衡，需要在平衡場線圈上輔助電源來控制等離子體徑向平衡。
　　其次，基于RFP的平衡磁場位形和能量守恒原理建立KTX的放電運行模擬程序，再此基礎(chǔ)上估算在KTX裝置上實現(xiàn)PPCD驅(qū)動所需的電源參數(shù)。模擬結(jié)果表明:由于KTX縱場線圈與穩(wěn)定殼之間真空區(qū)域的磁通消耗，以及被動導(dǎo)體殼對縱向磁場的屏蔽效應(yīng)，故在KTX縱場線圈上加載的PP

4、CD脈沖電流信號的功率要比在MST裝置來的更大，相應(yīng)的對PPCD電源性能的要求也更加苛刻。RFP裝置如果在PPCD放電情況下，為了減小PPCD輔助電源的投入成本，在設(shè)計裝置時真空室要盡可能的薄，且縱場線圈要盡可能的靠近真空室。
　　最后，聚焦于當(dāng)前RFP研究的熱點——準(zhǔn)單螺旋態(tài)(QSH)，QSH態(tài)的出現(xiàn)減小了磁場漲落，提高了RFP的約束性能，尤其是在SHAx態(tài)下形成的較寬的芯部熱島和電子溫度梯度壘。本章主要利用三維電阻-粘滯完整磁

5、流體力學(xué)代碼NIMROD，探索在KTX柱幾何位形下出現(xiàn)QSH的可能性。分析了在有限比壓和有限電阻率下線性撕裂模的空間結(jié)構(gòu)和擾動的基本特征。在Lundquist數(shù)S =5×104，經(jīng)過初始的MH態(tài)后，等離子體逐漸過渡到QSH態(tài)。線性與非線性模擬結(jié)果對比表明，準(zhǔn)單螺旋態(tài)的主?？赡苁怯蒻=1的線性內(nèi)部共振撕裂模的不穩(wěn)定性發(fā)展而來;同時，發(fā)現(xiàn)了等離子比壓β可能影響QSH態(tài)出現(xiàn)和維持時間。在低β時，QSH態(tài)間歇性的出現(xiàn)，且無法維持;在高β時，QS