托卡馬克邊界微觀湍流的數(shù)值模擬.pdf

1、作為一種磁約束裝置，托卡馬克是目前實(shí)現(xiàn)可控核聚變從而終極解決人類能源問(wèn)題最可行的方式之一。高約束模式(H-mode)運(yùn)行方式使托卡馬克更容易達(dá)到臨界點(diǎn)火條件，因而成為國(guó)際熱核聚變反應(yīng)堆(ITER)計(jì)劃的主要工作模式。過(guò)去三十余年，H模的一些關(guān)鍵物理依然未得到完全理解，如邊界區(qū)的不穩(wěn)定性、湍流輸運(yùn)，以及L與H相互間的轉(zhuǎn)化機(jī)制。
　　經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展，基于第一性原理的回旋動(dòng)理學(xué)模擬已經(jīng)成為研究托卡馬克湍流和輸運(yùn)的主要工具。本文通過(guò)回

2、旋動(dòng)理學(xué)模擬(GTC代碼)詳細(xì)研究了HL-2A近期的幾炮H模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于靜電模，模擬得出它主要是捕獲電子模(TEM)，其非線性的頻率和模數(shù)與實(shí)驗(yàn)一致。我們發(fā)現(xiàn)H模的邊界區(qū)域中，在線性情況下呈現(xiàn)的是非常規(guī)的氣球模結(jié)構(gòu)，其模結(jié)構(gòu)的峰值并不像傳統(tǒng)L模下那樣局域在極向投影面的外側(cè)中平面附近，而是出現(xiàn)極向角局域在0到2π任何位置或者在極向出現(xiàn)多峰。通過(guò)掃描梯度參數(shù)，線性最不穩(wěn)定模的頻率也與L模那支不同，而是有頻率的跳變，梯度大于某臨界值時(shí)跳變到

3、另一支。非線性譜的逆級(jí)聯(lián)(cascading)過(guò)程，也并不像傳統(tǒng)的那樣是多模耦合導(dǎo)致的，而更像是單模自身的非線性演化的疊加所致。解析上我們通過(guò)求解簡(jiǎn)化模型方程，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中其實(shí)有系列不穩(wěn)定性模存在，也即有系列本征態(tài)（類似量子力學(xué)中的能級(jí)）。弱梯度的L模，最不穩(wěn)定的（也即實(shí)驗(yàn)上最明顯的）是基態(tài)，對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)的氣球模結(jié)構(gòu);強(qiáng)梯度的H模，最不穩(wěn)定的通常是非基態(tài)，其模結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)非常規(guī)模結(jié)構(gòu)。從而L-H的轉(zhuǎn)換可能類似于能級(jí)的跳變。通過(guò)非線性的模擬，我們發(fā)

4、現(xiàn)，強(qiáng)梯度下帶狀流對(duì)輸運(yùn)并不像一般認(rèn)為的有抑制作用而是幾乎無(wú)影響。更有意思的是非線性輸運(yùn)也有一個(gè)臨界梯度存在，當(dāng)邊界梯度超過(guò)該值，隨著梯度的增加輸運(yùn)系數(shù)反而降低，這為L(zhǎng)-H轉(zhuǎn)換提供了一種新的微觀機(jī)制。物理本質(zhì)上可能因?yàn)榫€性模結(jié)構(gòu)的變化使得徑向關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度變短，從而導(dǎo)致輸運(yùn)特性改變，比如從弱梯度下的擴(kuò)散與對(duì)流并存轉(zhuǎn)為更接近于純擴(kuò)散輸運(yùn)。
　　完整的研究應(yīng)該考慮電磁效應(yīng)，但是這個(gè)領(lǐng)域十幾年的理論和模擬研究依然不太成功，即使是線性的頻率也還