环型磁约束装置的二维等离子体数值模拟研究

摘要

提高托卡马克装置的约束性能是核聚变研究的一个非常重要的方向。本文从双磁流体方程组和麦克斯韦方程组出发，以J-TEXT装置的实验参数（芯部离子、电子温度、中心弦平均密度、放电电流以及环电压等）为依据，数值模拟研究装置放电的等离子体参数分布，探索等离子体转动的作用机制及其效应，为实验运行的控制与优化放电模式提供理论依据。主要工作内容如下： （1）从静态的流体运动方程出发，对不同平衡态的等离子体平衡方程进行求解，包括顺磁、反磁（逆磁）、顺磁转逆磁（边缘小范围为逆磁性质）的平衡态，获得不同平衡态的平衡参数（压强、极向电流、等离子体密度、垂直磁场等）。对比发现：即使装置在整体上表现为顺磁性质，但在内缘很小区域内通过外部调控为逆磁性质，能使极向比压Bp有较大的增长，即能大大的提高装置的约束性。 （2）在小环坐标系，径向和极向磁场的模拟结果表明：在等离子体核心，磁场的一级量（Br1,B??1）几乎等同于零级（B??1），磁场在等离子体芯部具有三维结构。这个属性对于更好地了解等离子体芯部的输运特性是极其重要的。对于理想MHD模式，带电粒子可以被冻结在磁力线中，因为固有的径向磁场的存在，等离子体的径向流动是注定要发生的。 （3）自洽流场、电子与离子相对速度、电流密度等物理量，均与磁场有相似的多极场结构，也即它们都应该具有3维空间结构，局部存在涡旋场。同时发现边界密度的调控与涡旋成形的位置有密切关系。 （4）初步探索3维等离子体结构参数的分布属性，当考虑线圈安装的误差场后，装置不在具备环对称的条件，此时压强梯度不再环对称，磁面不再只是(r,??)的函数，还应该与环向角φ有关，因此磁场和电流密度也与环向角的分布有关。 这些研究结果有助于理解外加扰动场与控制撕裂模相互作用、局域径向等离子体流、磁涡旋的物理机制。

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