CT-6B托卡马克的锯齿模拟

一、基本方程与计算方法 1.锯齿模式锯齿上升部分可做如下解释,焦耳加热使电流分布变尖,q减小,致使m=1的撕裂模变得不稳定,磁岛将增长。r_s是q=1处的半径,由下式给出 q(r_s)=1. (1) 磁岛宽度由给出。式中W_o为初值,Y是m=1/n=1模的线性增长率     

双撕裂模非线性演化过程中有理面上的剪切流

在二维平板几何模型下,利用磁流体力学方程组数值模拟托卡马克装置中双撕裂模非线性演化过程中有理面上剪切流的时间和空间分布.结果表明,双撕裂模非线性演化的早期阶段,有理面上没有形成明显的剪切流.剪切流主要存在于快速磁重联阶段,随着磁重联的结束而逐渐消失,剪切流的强度和空间分布随磁岛的演化而改变.另外,较大的等离子体电阻加速磁重联,但是对剪切流的强度和变化趋势没有直接的影响.     

托卡马克等离子体中撕裂模不稳定性研究

本论文共六章。第一章简要介绍了撕裂模不稳定性研究的发展历史及其重要意义。第二章描述了经典撕裂模的物理基础，包括基本方程组、物理图象、磁岛、旋转频率及m=1的撕裂模的特征。经典撕裂模是考虑等离子体的有限电阻之后，在奇异表面附近的磁力线就要断开和重连，并形成磁岛结构。撕裂模的不稳定性判据Δ′〉0时，模式是不稳定的。第三章概述了经典撕裂模的实验研究。     

负磁剪切等离子体中离子温度梯度驱动不稳定性分析

采用打靶法,数值求解了在负磁剪切托卡马克等离子体中离子温度梯度驱动的复本征模方程.数值计算表明,环向旋转剪切流可以整体上改变剪切板η_i不稳定性.在等离子体极小q磁面附近的芯部区域,环向剪切流有稳定η_i模的作用.     

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以磁流体理论为基础,采用基于有限体积法的通量差分分裂格式数值求解具有双曲保守律形式的电阻磁流体方程组.编写C++程序对平板几何位形下的等离子体双撕裂模进行了长时间数值模拟,得到双撕裂模不稳定性的演化图景,捕捉到了双撕裂模非线性发展过程中磁场重联的几个典型阶段,讨论了等离子体电阻和两个有理面之间的距离对双撕裂模不稳定性非线性发展的影响.为研究磁流体动力学提供了一种可行的高精度数值算法.     

高磁雷诺数下剪切流对双撕裂模中二级磁岛的影响

在高磁雷诺数下,当双撕裂模发展进入快速磁场重联阶段时,会发生二级磁岛不稳定性,加剧磁场能量的释放。本文基于扰动形式的守恒磁流体方程组发展高精度的数值模拟程序,在平板位形下研究反对称位形剪切流对双撕裂模中二级磁岛的影响。结果表明：随着剪切流强度和剪切梯度的增加,二级磁岛的数目以及电流片横纵比变小。此外,较强的极向剪切流能够抑制二级磁岛不稳定性的发生。     

托卡马克中宏观束-等离子体扭曲模不稳定性研究

本文主要研究了具有单一高能离子分量的托卡马克等离子体扭曲模宏观不稳定性。它基本上模拟了中性束平行注入经过电离和电荷交换后在本底等离子体中维持一个稳恒等离子体流的物理过程。高能和本底都用无碰撞的Vlasov等离子体,并取了低频、小拉莫尔半径极限。由于主要考虑束-等离子体无耗散宏观不稳定性,故可用能量原理来分析。结果表明,高能离子束对本底等离子体的外部模没有影响,只影响内部扭曲模的增长率和扰动振幅。对适当选择的速度剖面,束能够完全稳定体系n≥2,m=1模,与Dunlap线性理论结果相反而与目前实验观测一致。m/n=1/1内部扭曲模增长率在所取得模型下随注入能量β_b,注入功率P_bw,轴上安全因子q(0)和束速度的径向剖面分布参数S的不同而出现增稳、减稳及完全稳定的行为。适当选择S,在q(0)<0.924时,高能束能够稳定m/n=1/1模。 关键词：     

自由边界载流等离子体柱的电阻螺旋模不稳定性的数值计算

本文采用两步隐式差分格式研究了自由边界载流等离子体柱的电阻螺旋模不稳定性。发现等离子体温度剖面越宽和越高,m=2的撕裂模的线性稳定就越好。计算结果与实验相符合。     

托卡马克装置中等离子体环向旋转对三维响应场的影响

本文利用MARS-F程序,数值研究了HL-2M托卡马克装置高比压等离子体中,环向旋转对外加共振磁扰动场的响应特性的影响.研究发现,等离子体响应显著改变共振磁扰动的谱分布,并影响等离子体内部共振磁扰动场与共振磁扰动线圈电流相位差的依赖关系,从而改变有理面处径向扰动场的幅值.当边界旋转频率较小时,在最外有理面处,等离子体响应对外加共振磁扰动场有明显的放大效应.通常,边缘局域模的控制效果依赖于最外有理面处共振磁扰动场的幅度,因此可通过控制旋转剖面实现对共振磁扰动场的调控,进而优化边缘局域模的控制方案.     

基于有限体积法数值模拟双撕裂模非线性演化

以磁流体理论为基础,采用基于有限体积法的通量差分分裂格式数值求解具有双曲保守律形式的电阻磁流体方程组。编写C++程序对平板几何位形下的等离子体双撕裂模进行了长时间数值模拟,得到双撕裂模不稳定性的演化图景,捕捉到了双撕裂模非线性发展过程中磁场重联的几个典型阶段,讨论了等离子体电阻和两个有理面之间的距离对双撕裂模不稳定性非线性发展的影响。为研究磁流体动力学提供了一种可行的高精度数值算法。     

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在HT-7装置上建立了一套高速CCD可见光成像诊断,测量了边界等离子体的可见光辐射成像.在HT-7装置放电中,首次观察到在等离子体边界区域存在一条极向旋转的可见光辐射带,由CCD诊断系统得到其极向旋转的频率为858Hz.根据多道Hα阵列测量得到极向旋转频率为952Hz.多道磁探针信号测量发现,等离子体内部存在m/n=3/1的电磁模,该模的旋转频率为972Hz.从电子回旋辐射诊断系统得到的电子温度剖面发现该模的磁岛宽度约为2.5cm.     

撕裂模实时主动控制系统

在HL-2A装置上发展了一套撕裂模实时主动控制系统。该系统在放电期间用电子回旋发射/软X射线诊断实时确定撕裂模的几何位置,结合实时剖面重建和电子回旋波沉积计算,得到电子回旋波反射镜的控制角度值。通过电机实时驱动电子回旋波反射镜到达指定角度,使得电子回旋波功率沉积在撕裂模的有理磁面附近,改变当地局部的电流剖面,从而控制撕裂模,改善等离子体约束。该系统已经在2015年以后的实验中投入使用,并取得了良好的控制效果。它不仅能够实时发现并控制经典撕裂模,并且具有控制新经典撕裂模的潜力。     

黏滞等离子体中双撕裂模不稳定性的数值模拟研究

本文采用磁流体力学模型,数值研究了平板位形下双撕裂模线性增长率关于等离子体电阻η和黏滞v的定标关系.结果表明,对于有理面间距较大的情况,线性增长率关于电阻和黏滞的指数定标率随着黏滞的增加逐渐由γ∝ η3/5v0的定标变化到γ∝η5/6v-1/6的定标;而对于有理面间距较小的情况,其指数定标率随着黏性的增加从γ∝η 1/3 v0的定标逐渐变化到γ∝η2/3v-1/3的定标.本文还给出了初始阶段对称的双撕裂模的非线性演化,发现在非线性阶段对称的双撕裂模将转化为反对称的双撕裂模,并解释了相应的物理机理.     

CFETR稳态运行模式的0.5维集成模拟及其杂质粒子比例影响的分析

采用快速集成模拟软件METIS完成了CFETR1GW稳态反剪切运行模式的设计。该反剪切运行模式由40MW离轴电子回旋电流驱动(ECCD)与60MW的离轴中性束电流驱动(NBCD)所实现，获得了稳定的安全因子剖面，其在ρ=0.52处具有最小安全因子q_min=3.1，从而可避免危险的m/n=2/1、3/2、5/3的新经典撕裂模(NTM)。此外，本文还分析了Ar杂质粒子的含量对此稳态反剪切模式约束性能的影响。     

环流器等离子体撕裂模稳定电流剖面

用分区拼接和局部平台化方法,得到m≠1撕裂模稳定的等离子体电流剖面,拟合了HL-1装置低q实验的电流剖面。     

HL-1M装置撕裂模不稳定性的相位比对法研究

采用相位比对法模拟分析了HL-1M装置的磁扰动模式,模拟结果同预期的一致。在具有撕裂模不稳定性的典型放电中,探测到独立模m=2、3、4,耦合模m=2、3,并与用空间傅立叶分析方法得到的扰动模式的分析结果进行了比较。讨论了这些方法在实验分析中的可行性和有效性。     

电流分布对破裂不稳定性的影响

本文应用撕裂模理论研究了电流分布对破裂不稳定性的影响。结果表明这种不稳定性由q=2奇异面附近电流梯度的增大引起,因此只要在奇异面附近保持适当的电流梯度就可避免破裂发生,即对电流分布实行局部控制就可实现对破裂的抑制,并不需要去选取某种特定的整体分布。     

外部驱动电流抑制双撕裂模的发展

在Hall MHD方程组中引入外部驱动电流项,数值模拟外部驱动电流对双撕裂模不稳定性的影响.结果表明,在x点加入反向外部驱动电流对撕裂模的发展有抑制作用,周期性的外部驱动电流对双撕裂模不稳定性的抑制效果较好,能控制磁岛的尺度在相互驱动的临界尺度以下,避免发生双撕裂模非线性磁场重联的爆发,随着驱动电流周期变大抑制效果变坏,在一定限度内随着驱动电流强度增大抑制效果变好,在一定范围内随着驱动电流宽度变小抑制效果变好.     

等离子体轴向运动对撕裂模不稳定性影响研究

从电阻磁流体模型出发,详细推导了柱形位形下低β等离子体中包括等离子体宏观轴向运动效应的电阻性撕裂模线性不稳定性理论。数值研究发现：等离子体轴向运动速度本身对撕裂模具有明显的稳定作用,而轴向运动速度剪切的作用并不明显。分析表明：轴向运动通过改变扰动势函数和磁通函数之间的相位差(偏离π/2)来降低撕裂模增长率,同时产生一个较低的撕裂模频率。     

托卡马克等离子体中动力剪切阿尔芬波不稳定性的数值研究

用积分本征模方程研究了在托卡马克等离子体中包含全部动力学效应的动力剪切阿尔芬波模 (无论是否存在温度梯度). 引入了一个新的积分变量，将实平面的积分解析延拓到复平面. 这样可以同时研究增长模和阻尼模. 结果表明，在有离子温度梯度(ITG)的情况下，激发动 力剪切阿尔芬不稳定性所需的等离子体压强梯度比激发理想磁流体动力学气球模不稳定性的 阈值低得多，没有ITG时两者相同. 与动力无碰撞气球模结果不同，当有限ITG存在时，剪切 阿尔芬模存在第二稳定区. 关键词： 动力剪切阿尔芬模 磁流体气球模 阈值压强梯度