托卡马克聚变等离子体中的低杂波传播与吸收

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低杂波电流驱动作为一种实现托卡马克稳态运行的手段,有驱动源成熟、耦合好、驱动效率高、驱动电流强度大等特点。经过三四十年的发展,低杂波传播和吸收的理论、实验与模拟都取得了长足的进步。低杂波从波导管发出并通过截止层耦合到等离子体后,表现出传播、吸收、反射、模转换等特性,并通过波-粒子相互作用改变粒子(主要是电子)的分布函数,使其在速度空间一侧出现平台区,从而驱动电流。理论和模拟上对低杂波的研究,有传播和吸收两方面。在吸收问题中,粒子分布函数在速度空间的演化由波引起的扩散效应、碰撞弛豫及其它源/汇项共同决定,最后决定了相应的电流驱动及功率沉积。在传播问题中,关键就是求解波的二维模结构(考虑托卡克马的环向对称性)。传统的二维WKB方法基于准平面波近似,给出了波的传播轨迹及振幅演化;然而无法描述一些重要的物理,如衍射。后来发展起来的复空间WKB、光束追踪和全波解,虽然可以对传统WKB方法做一些修正,但都有各自的局限性。到目前为止,与低杂波传播和吸收相关的各种效应相继被考虑进来以给出低杂波电流驱动的准确计算,然而,还是有一些问题没有完全解决,比如“速度间隙”问题、“密度极限”问题。  本工作的第一部分为对波包传播方法的探索与应用。为了研究低杂波问题,我们归纳并发展了一套通用的方法,即波包传播方法,来计算波的传播和吸收。这个方法基于波包传播的观点,利用模结构分解方法和初始值问题求解,通过“内天线”或者“外天线”的激发,对波包进行追踪,通过观察其时间演化得到波场的二维模结构,即波的传播图形。同时,波的吸收也可以被考虑进来。作为一个一般性的理论方法与数值工具,波包传播方法可以应用于不同的问题。在本论文中,作为波包传播方法的一个应用,本工作首先用WKB方法来研究托卡克马中形状因子对于波的注入深度与能量沉积的影响,发现拉长形变、三角形变、注入的角度都有不同的作用。作为另一个应用,本文用WKB-全波解混合方法来研究静电离子温度梯度模(ITG)的二维模结构与本征值。通过在径向使用WKB方法,在平行方向使用全波解方法,本文得到了ITG的本征模和本征频率。这两个例子阐述了波包传播方法在两个非常不同的问题,即受迫振动引起的射频波传播和自发的不稳定性问题中都可以作为有用的研究工具。  本工作的第二部分为利用拓展的WKB-全波解混合方法对低杂波的传播与吸收进行研究。为了用波包传播方法来研究低杂波中的物理问题,比如“速度间隙”问题,本文进一步将WKB-全波解混合方法推广到低杂波加热与电流驱动。与不稳定性问题研究一样,该方法在径向使用WKB方法,平行方向使用全波解;然而在在平行方向上,该方法不做模式分解,而是直接求解平行模结构,使得对低杂波这种波长范围的波的模拟具有可行性。数值结果和传统的WKB相比,平行谱出现了显著的展宽。在对沉积功率做了分析后,本文发现该效应对于改变能量沉积剖面非常重要:由于平行谱展宽,与传统WKB相比,功率沉积明显外移。  波包传播方法在低杂波问题中可能有更广泛的应用。一些非线性物理过程,比如低杂波中的参量不稳定性,也可以在这个框架下进行研究。当低杂波的功率增加以至达到参量不稳定性的激发阈值时,低杂波就会被低频的离子模(比如离子声波/回旋波准模式)散射得到另一支旁带波,这样就可能使泵浦波衰减,同时产生旁带波使总的谱发生展宽。波的吸收因此发生改变,电流驱动/加热效果也受到影响。在论文最后,本文列举了参量不稳定性的相关物理,为WKB-全波解混合方法在此问题中可能的应用进行了初步的讨论。
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