外加非共振扰动场对等离子体磁流体不稳定性影响的数值模拟研究

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托卡马克等离子体放电过程中,由于压强梯度与电流密度梯度等因素驱动的磁流体不稳定性,不仅会降低等离子体的约束性能,甚至会导致等离子体发生大破裂,对装置造成致命的危害。因此,磁流体不稳定性控制是ITER、CFETR以及未来托卡马克位形聚变堆安全运行所面临的关键挑战。直至目前为止,磁流体不稳定性控制主要采用局部射频波加热、局部电流驱动以及外加共振扰动场三种方案。然而,现阶段无论是局部射频波加热和局部电流驱动的沉积精准性,还是共振扰动场的控制可靠性,都尚待更进一步研究。针对上述问题,本论文提出利用外加非共振扰动场控制磁流体不稳定性的创新型方案,以J-TEXT托卡马克装置为平台,借助三维宏观非线性磁流体动力学程序—NIMROD(Non-Ideal MHD with Rotation Open Discussion),开展了外加非共振扰动场对等离子体不稳定性影响的数值模拟研究。本文从NIMROD宏观非线性磁流体动力学模型出发,在深入理解磁流体不稳定性与等离子体破裂相关物理模型的基础上,结合撕裂模非线性发展理论,提出了增强磁场曲率致稳项来控制磁流体不稳定性的新方案,验证了利用NIMROD程序对该方案进行数值模拟研究的可行性。基于非共振扰动场对磁流体不稳定性作用机理的理解,本文从托卡马克三维空间网格构建,磁流体力学方程时空离散,程序初始化设置等方面,发展了NIMROD用于非共振扰动场数值计算的新流程,为后续数值模拟研究奠定了坚实的基础。本文根据控制方案需求,基于螺旋形线圈的傅里叶分解性质与磁场特性,设计了JTEXT非共振扰动场螺旋形线圈,该线圈产生的非共振磁场具有磁场幅值强、磁谱单纯、模式调节灵活等特征,非常适合于非共振扰动场影响等离子体不稳定性的研究。本文利用上述所设计的非共振扰动场线圈,在J-TEXT上开展了一系列数值模拟研究,计算得出了非共振扰动场在不同主导模式(包括极向模式m与环向模式n)以及不同幅值条件下对磁流体不稳定性的作用结果。模拟结果表明,不同主导模式与不同幅值条件下的非共振扰动场对磁流体不稳定性的抑制效果存在差异。具体而言,当外加非共振扰动场与等离子体本底不稳定性的环向模数精准匹配时,其抑制效果明显;在一定范围内随着非共振扰动场幅值的增加,抑制效果越明显;投入4k A以m/n=-1/1为主导模式的非共振扰动场后,等离子体边界安全因子可以提高约3.6%。与此同时,本文还进一步开展了非共振扰动场缓解等离子体破裂危害的应用探索,发现了非共振扰动场不仅能明显降低破裂过程中不稳定性增长的幅值与速率,还能促进破裂过程中逃逸电子的排出,减少了破裂发生的危害。此外,J-TEXT装置新一轮实验结果表明,非共振扰动场能够抑制撕裂模的增长,同时也可以避免破裂过程中逃逸电流平台的产生,从实验上验证了非共振扰动场控制磁流体不稳定性、缓解破裂危害的可行性。本文的模拟和实验结果表明:非共振扰动磁场在一定程度上抑制了等离子体的不稳定性,这为后续托卡马克装置等离子体不稳定性的抑制提出了一种新的解决方案。
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