平衡流和反饋控制對電阻壁模穩(wěn)定化的影響.pdf

1、在托卡馬克等離子體中，具有全域結(jié)構(gòu)的外扭曲模可以輕易地在宏觀上迫使等離子體柱扭曲碰壁，從而迅速導(dǎo)致大破裂的產(chǎn)生，因此，外扭曲模成為托卡馬克裝置中最危險的磁流體不穩(wěn)定模式之一。另外，外扭曲模還極大地限制著裝置的等離子體比壓。幸運的是，在等離子體外側(cè)包圍一層理想導(dǎo)體壁后，導(dǎo)體壁上感應(yīng)出的感應(yīng)電流可以將外扭曲模完全穩(wěn)定住，從而提高裝置的等離子體比壓。然而，實際的導(dǎo)體壁上都帶有有限電阻，該電阻將導(dǎo)致在導(dǎo)體壁上的感應(yīng)電流滯后并耗散，因此不能將外扭

2、曲模完全穩(wěn)定住，形成一種新的增長率較低的不穩(wěn)定模式，稱為電阻壁模。當裝置的放電時間超過擾動量在電阻壁內(nèi)的擴散時間后，電阻壁模仍然可以增長起來并最終導(dǎo)致大破裂。對于大尺度的托卡馬克裝置（例如:ITER裝置）來說，要實現(xiàn)高收益的長時間放電，如何穩(wěn)定電阻壁模是研究工作者不得不面對和解決的問題。
　　目前的研究表明，穩(wěn)定電阻壁模的方法主要有兩種。其一，當?shù)入x子體具有一定粘滯時，等離子體與電阻壁的相對旋轉(zhuǎn)可以將電阻壁模穩(wěn)定住。但是，目前實驗

3、上觀測到的臨界穩(wěn)定速度明顯要低于理論計算得到的預(yù)測值。另外，這種使電阻壁模穩(wěn)定的耗散機制仍然需要進一步研究。另一種方法是在裝置中引入自動反饋控制系統(tǒng)?？刂评碚撌且环N新興的工業(yè)手段，可以對等離子體中的磁流體不穩(wěn)定性進行有效控制。但是當反饋控制系統(tǒng)進入非線性飽和階段后，如何實現(xiàn)對電阻壁模的有效控制目前鮮有工作進行研究。本論文主要研究帶有電阻壁的等離子體系統(tǒng)中幾種磁流體不穩(wěn)定性及其穩(wěn)定。
　　第一章，簡要介紹本課題的研究背景，并在理論和

4、實驗上綜述了電阻壁模及穩(wěn)定電阻壁模的兩種方式的研究進展。
　　第二章，采用含有等離子體粘滯的非理想磁流體力學(xué)方程組對等離子體進行描述，在電阻壁處做薄壁近似假設(shè)，應(yīng)用求解初值問題的方法，建立LARWM程序，驗證程序后，討論應(yīng)用該程序研究電阻壁模時的適用范圍。
　　第三章，在無壁模型中，應(yīng)用LARWM程序研究離軸驅(qū)動加熱對外扭曲模的影響。研究表明，離軸驅(qū)動加熱產(chǎn)生電流峰的寬度大于臨界值時，電流峰越窄越有利于降低外扭曲模的增長;電

5、流峰的幅值越高越有利于外扭曲模的穩(wěn)定，甚至可以實現(xiàn)完全穩(wěn)定;當電流峰中心位置超過臨界位置rcr=0.85時，越靠近等離子體邊緣外扭曲模的增長率越低。
　　第四章，分別針對具有全域和局域的兩組平衡剪切流結(jié)構(gòu)，應(yīng)用LARWM程序研究平衡剪切流對電阻壁模穩(wěn)定性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，等離子體邊緣處的速度幅值和剪切度對電阻壁模的穩(wěn)定性有一定影響，平衡流攜帶的慣性能量對其穩(wěn)定性的影響最為重要，等離子體中心處的剪切流結(jié)構(gòu)對電阻壁模穩(wěn)定性沒有明顯影響

6、。
　　第五章，引入自動反饋控制系統(tǒng)，研究當系統(tǒng)進入非線性控制階段后，電阻壁模的特性以及有效的反饋控制方案。結(jié)果表明，當且僅當在進入非線性階段時刻被控信號低于設(shè)定閾值時，通量電流控制方案才可以實現(xiàn)對電阻壁模的穩(wěn)定化作用。通量電壓控制方案則是相對比較理想的控制方案，進入非線性反饋控制階段后電阻壁模仍然可以被穩(wěn)定。
　　第六章，采用簡征模法對平板模型下含有電阻壁的理想等離子體系統(tǒng)進行計算，根據(jù)本征方程數(shù)值求解了本征模，經(jīng)過驗證三