托卡馬克中高能量粒子與內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，對新能源的開發(fā)利用是人類持續(xù)進步與發(fā)展的必然選擇。聚變能以其原料儲量豐富和安全干凈等特點成為了人類未來發(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現(xiàn)可控核聚變的實驗方案。高能量粒子與內扭曲模的相互作用是托卡馬克物理中一個重要的研究課題，這是由于一方面內扭曲模觸發(fā)的鋸齒振蕩可以引起大量的高能量粒子輸運;另一方面高能量粒子可以對內扭曲模起穩(wěn)定作用，增長鋸齒振蕩的周期并最終導致巨型鋸齒的產(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，甚至導致等離子體破裂。
　　本論文采用磁流體-動理學混合模型代碼M3D-K對高能量粒子與內扭曲模相互作用進行了數(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，以及n=1內扭曲模的線性不穩(wěn)定性以及非線性隨時演化兩部分內容。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扭曲模的相關物理背景，第三章詳細介紹了所用代碼M3D/M3D-K中的磁流體-動理學混合模型以及相

3、關數(shù)值方法，第四章與第五章是本論文主要研究的兩方面內容，第六章對全文進行總結并提出工作展望。本論文的具體研究內容如下:
　　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。磁流體模擬結果顯示了類似于Kadomtsev模型的重復鋸齒振蕩。隨后，測試粒子方法被用來模擬研究高能量粒子由鋸齒崩塌引起的輸運。結果顯示高能量粒子主要在鋸齒振蕩范圍內的等離子體中心區(qū)域徑向再分布，并且在q=1之內的粒子由于磁場

4、重聯(lián)效應被輸運到q=1面之外。此外，高能量粒子再分布的程度依賴于其拋射角與能量。對于捕獲粒子，當其能量高于臨界能量時再分布很弱，并且此臨界能量大致與鋸齒崩塌時間成反比，且與粒子質量無關。對于通行粒子，同向通行粒子在鋸齒模內的再分布很強;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)別是由于它們進動頻率的不同，反向通行粒子的進動頻率比同向通行粒子大得多，這導致了反向通行粒子輸運更依賴于粒子能量。另外，我們研究了磁場擾動和模

5、旋轉對高能量粒子輸運的影響。分析表明磁場擾動只對能量足夠高的同向通行粒子輸運有很大影響，而模旋轉則會改變臨界能量。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)捕獲粒子被預測為弱輸運，而同向通行粒子和反向通行粒子的輸運都很強。
　　在第五章中，我們模擬了n=1內扭曲模的線性不穩(wěn)定性以及非線性隨時演化。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)象的頻率更高的類魚骨模，

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

7、有一定頻率的飽和扭曲模。對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的最主要機制是磁流體非線性。最后，我們討論了n=1模對于束離子分布函數(shù)的影響。在鋸齒崩塌之后，束離子在鋸齒區(qū)域內有很強的徑向再分布。接著，在n=1內扭曲模非線性飽和階段，束離子在q=1面之內的分布變得更平。這些結果與實驗中觀測到的鋸齒崩塌之間的飽和內扭