三维磁扰动和有限比压协同影响无碰撞捕获电子模的理论研究

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托卡马克内部输运垒(Internal Transport Barrier,ITB)的形成可以显著降低反常输运水平,提高等离子体的约束性能。虽然离子的热输运被降至新经典水平,但电子热输运依然反常,该通道的ITB(electron ITB,eITB)形成机制尚不完全明确。无碰撞捕获电子模(Collosionless Trapped Electron Mode,CTEM)湍流作为引起电子反常热输运最有可能的模式之一,研究影响其不稳定性激发的因素对理解eITB的形成机制具有重要意义。本文针对托卡马克等离子体中三维磁扰动(Magnetic Perturbations,MPs)和有限比压(β)效应对CTEM不稳定性的协同影响开展理论研究。本文利用三维局域磁流体平衡模型,计算了第二绝热不变量的局域分布以及相应的捕获电子进动漂移频率。在此基础上,考虑捕获电子动理学效应推导和求解了CTEM的色散方程。分析发现,三维MPs和有限β效应的协同作用可通过改变捕获电子进动漂移与电子漂移波的共振进而影响CTEM不稳定性。当三维MPs处于解稳相位时,三维MPs与有限β效应的协同作用可以减弱甚至反转二维有限β效应对捕获电子进动漂移频率的降低,从而使得更多捕获电子与漂移波共振,增强CTEM不稳定性的激发,最终提高CTEM不稳定性的增长率。反之,当三维MPs处于致稳相位时,其与有限β效应的协同作用可以降低进动漂移频率,减少共振的捕获电子,进而抑制CTEM不稳定性的增长。此时三维MPs还可以降低完全致稳CTEM不稳定性所需临界负磁剪切强度,从而可能减少eITB形成对电流驱动控制磁剪切的需求。综上所述,本文揭示了三维MPs和有限β效应对CTEM不稳定性协同影响的物理机制,有望为未来聚变堆高约束性能等离子体运行模式的设计和控制提供参考。
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