托克马克中电阻壁模式物理特性的数值研究

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磁约束聚变装置是研究聚变能的主要实验装置,其主要的参数之一是等离子体比压值β=2μp/B2(等离子体的压强与磁压强的比值),决定着磁约束装置的约束效率。然而,在高温高压的放电过程中,等离子体会出现各种不稳定性,尤其,宏观磁流体不稳定性(MHD)的出现大大限制了等离子体的比压值,其中外扭曲模式作为一种宏观的MHD不稳定性,是限制高比压值的主要障碍之一,它是托克马克中最危险的理想MHD不稳定模式,甚至可以导致等离子体放电的终止。外扭曲模式可以被足够靠近等离子体的理想导体壁完全稳定。但是实验装置中并不存在理想导体壁,于是外扭曲模式转变为一种新的缓慢增长的不稳定模式,即电阻壁模式。即使电阻壁模式的增长比较缓慢,但是在放电时间尺度范围内,不稳定模式的进一步发展依然会限制装置的正常运行,因而抑制电阻壁模式的增长是必要的。本文研究了环几何位形下,旋转等离子体中的电阻壁模式的物理特性。首先,运用平衡计算程序数值求解Grad-Shafranov方程,为MARS程序提供平衡参数,并用MARS程序计算等离子体中电阻壁不稳定模式的增长率。本文研究的是电流驱动的电阻壁模式,先采用Wesson的平衡电流位形验证我们结果的准确性。之后,通过加入等离子体流,改变磁场渗透导体壁的时间(电阻壁的通量扩散时间),等离子体的电阻以及密度,托克马克装置的环径比等物理参量,来对比不稳定模式的变化情况。最后,改变平衡电流位形观察不稳定模式的变化。本论文的主要内容如下:第二章主要研究安全因子和等离子体旋转对不稳定模式的影响;第三章中主要研究旋转等离子体中的物理参数对不稳定模式的影响;第四章中主要研究等离子体剪切和平衡电流对MHD不稳定模式的影响;在本论文的最后,给出了简单的总结,并给予了讨论。研究发现,等离子体旋转对电阻壁模式有一定的抑制作用。在加入一定的等离子体环向旋转条件下,通过改变tokamak物理参数,可以发现:导体壁的通量扩散时间越趋于无穷,即越趋于理想导体壁,电阻壁模式就越容易稳定;等离子体电阻对电阻壁不稳定模式的影响微弱;等离子体边缘密度越大,不稳定模式增长率越小;托克马克装置的环径比(托克马克大环半径的比值与等离子体小半径)越小,装置越接近环形,模式的增长率越小;等离子体边界电流梯度的增大可以激发模式不稳定性的增长。
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