托卡马克中共振磁扰动引起的粒子输运的理论模拟研究

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在托卡马克中,共振磁扰动产生的磁岛叠加会导致边界的磁力线随机,导致较强的粒子输运。本文基于I-变换理论以及在稳定均匀湍流中的等离子体输运理论,研究了在共振磁扰动产生的随机磁场中的准线性粒子输运。本文的第一项工作是利用基于李变换扰动方法的I-变换理论研究了在忽略磁漂移的情况下通行电子的准线性扩散。当不存在径向电场(Er)时,我们的理论可以重复field-line模型(Rechester&Rosenbluth,1978)的结果,该结果显示,随机磁场中的粒子扩散系数与平行速度的大小成正比。由于离子与电子的大质量比,电子的扩散系数要远大于离子的扩散系数,造成电荷分离,形成双极电场。我们的理论计算以及试探粒子模拟表明,存在Er时,随机磁场中粒子导心动能的变化δK与粒子导心径向位置的变化δr之间存在交叉关联,即δK=qsErδr,qs为s种类粒子电荷。这一关联导致相空间的输运系数存在DrK=qsErDrr的关系,进而产生一个对流的粒子流(∞qsEr/Ts,Ts为s种类粒子温度)。我们理论计算了存在Er时电子和离子的粒子流,利用双极条件Γer=Γir以及TEXTOR的剖面数据估算了双极电场的大小和方向,均与TEXTOR的实验观察定性一致。本文的第二项工作利用稳定均匀湍流中等离子体的输运理论研究了包含磁漂移和Er的通行粒子的准线性扩散。我们的理论可以重复field-line模型,以及Myra等人(Myra&Catto,1993)只考虑极向漂移的准线性理论。理论计算表明,简化的波与粒子的共振条件为m= nq-mσvγE=m,m为极向模数,n为环向模数,q为安全因子,σv为平行速度v‖的符号,(?),B0和R0分别为磁轴处的磁场和大半径,r为径向位置。从共振条件可以看出,Er会改变波与粒子的共振位置(Er-shift效应),共振位置的偏移量为(?),s为磁剪切。共振位置的偏移方向由v‖方向和Er方向决定,当共振位置偏移到扰动幅度较小的位置,扩散系数就会减小,反之亦然;偏移量的大小反比与平行速度的大小,于是离子的偏移距离远大于电子的偏移距离,因此Er-shift效应主要影响离子的扩散系数。我们利用DⅢ-D的剖面数据数值计算了不同径向电场下的电子粒子流Γer和氘离子的粒子流Γdeur,利用双极条件Γerdeur计算了边界上的双极电场剖面和总粒子流剖面。我们发现,由于Er-shift效应主要减小了边界的氘离子扩散系数,进而减小氘离子粒子流,导致边界的总粒子流比field-line模型的估算值小一个数量级,与实验观察定性一致。我们估计的边界等效电子扩散系数~(0.05~0.1)m2s-1也与实验观察值~0.2m2s-1在同一数量级。
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