托卡马克高频波加热的全波数值模拟

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射频波加热磁化等离子体作为一种辅助加热手段,在托卡马克型聚变装置中已经得到广泛的应用。该方法的优点在于对等离子加热时不会显著影响等离子体的约束位形。然而,在非均匀等离子体中,因为截止和共振层的存在,入射波不能直接传播到等离子体的高密度区域。因为,在等离子体中,同一个区域可能会同时出现多个波模,所以,当入射波模在等离子体中遭遇截止或共振时,能够通过模转换的方式转换成另外一种形式波模。模转换过程的存在为加热高密度区域的等离子体提供了可行的途径。通常情况下,对波在等离子体中传播过程进行数值模拟,有全波和ray tracing两种。Ray tracing的方法不能够给出波的各个场量在空间和时间上的分布状态。全波模拟的方法在这方面能够得到比较好的结果。但是,在使用全波的方法来对参量不稳定性等涉及到多波耦合的物理过程进行模拟时,会因为计算量大而很难得到实际的应用。在对动理学波的介电张量进行有限拉莫半径展开后发现,所得的零阶项的表达式同冷等离子体近似下所得的介电张量的表达式相同。因此,在考虑到垂直于磁场方向的能量守恒后,可以将动理学波的介电张量在有限拉莫半径展开后所得到的一阶项作为修正项加入到冷等离子体近似模型中。这样,即能够避免采用动理学计算时存在计算量大的问题,又能对动理学效应进行模拟。本文的主要内容:(1)将动理学的介电张量通过拉莫半径展开。通过加入能量守恒的限制条件,将展开后的一阶项以微分算符的方式加入到冷等离子体近似模型下x方向的电流中。(2)计算模型是一维平板模型,以PML作为吸收边界层。分别采用FDTD算法求解电磁波方程和采用有限差分算法求解动量方程。(3)给出了频率处于电子回旋和低混杂频率下(电磁波入射方向垂直于外加磁场)的模拟结果。并将冷等离子体近似下的计算结果同采用动理学修正后得到的计算结果进行比较。在采用动理学修正后的模拟结果中出现了模转换的现象,这是在冷等离子体近似下不能发生的。
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