托卡馬克中電阻撕裂模不穩(wěn)定性的數(shù)值模擬.pdf

1、受控?zé)岷司圩兪且环N解決能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題的理想選擇。托卡馬克作為一種目前實(shí)現(xiàn)可控核聚變最可行的磁約束聚變裝置之一而受到廣泛的研究。撕裂模不穩(wěn)定性無(wú)論在空間等離子體中還是實(shí)驗(yàn)室等離子體中都是一種非常重要的基本物理過(guò)程。在托卡馬克等磁約束聚變裝置中，撕裂模的發(fā)展往往會(huì)破壞磁面、增強(qiáng)輸運(yùn)、使等離子體約束退化甚至導(dǎo)致破裂。因此研究撕裂模的物理性質(zhì)，探索穩(wěn)定或控制它的手段具有非常重要的意義。
　　基于磁流體模型，我們開發(fā)了一個(gè)三維環(huán)形的磁流

2、體代碼CLT，用于模擬研究環(huán)形裝置中宏觀磁流體不穩(wěn)定性及等離子體的演化。使用這個(gè)代碼，本文著重對(duì)托卡馬克中等離子體環(huán)向旋轉(zhuǎn)以及驅(qū)動(dòng)電流對(duì)電阻撕裂模不穩(wěn)定性(m/n=2/1)的影響進(jìn)行了研究。
　　關(guān)于平衡的環(huán)向等離子體旋轉(zhuǎn)對(duì)撕裂模的影響，我們發(fā)現(xiàn)，不管這個(gè)旋轉(zhuǎn)有沒(méi)有剪切，它都可以抑制撕裂模的線性增長(zhǎng)，且旋轉(zhuǎn)越快，對(duì)撕裂模的穩(wěn)定作用越強(qiáng)。經(jīng)過(guò)分析，我們得知，旋轉(zhuǎn)的這種穩(wěn)定作用主要來(lái)自于由環(huán)幾何引入的Coriolis效應(yīng)。而對(duì)于低粘滯

3、的等離子體（τR/τv＜1，τR和τV分別是電阻擴(kuò)散時(shí)間和粘滯擴(kuò)散時(shí)間），旋轉(zhuǎn)剪切的存在反而會(huì)在等離子旋轉(zhuǎn)較強(qiáng)時(shí)，減弱旋轉(zhuǎn)本身這種的穩(wěn)定作用;對(duì)于高粘滯（τR/τV＞＞1）的等離子體，旋轉(zhuǎn)剪切與粘滯效應(yīng)的協(xié)同作用則是對(duì)撕裂模是“致穩(wěn)”的。
　　關(guān)于外加的驅(qū)動(dòng)電流對(duì)撕裂模的影響，我們首先考慮在未擾動(dòng)的有理磁面附近(q=2)施加一個(gè)環(huán)向與極向均勻而徑向呈高斯分布的驅(qū)動(dòng)電流。模擬結(jié)果顯示，合適的這種驅(qū)動(dòng)電流可以局部地改變等離子體平衡的電

4、流分布與安全因子q分布，使之對(duì)撕裂模線性更穩(wěn)定。這種穩(wěn)定作用可以隨著驅(qū)動(dòng)電流強(qiáng)度的增強(qiáng)或驅(qū)動(dòng)電流寬度的減小而增強(qiáng)。但過(guò)強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)電流也可能會(huì)使有理面附近的磁剪切反轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)其他不穩(wěn)定性如“三撕裂?！?triple tearing modes)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流密度的峰值偏離平衡的有理面時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流對(duì)撕裂模的穩(wěn)定作用可以忽略甚至起反作用。
　　我們也初步研究了隨磁島O點(diǎn)螺旋分布的驅(qū)動(dòng)電流的影響，發(fā)現(xiàn)這種驅(qū)動(dòng)電流只需很小的強(qiáng)度就可以很好地抑