中性束注入加热及产生的快离子自举电流研究

摘要

等离子体要达到点火条件必须要加热到很高的温度，除欧姆加热以外必须借助其他辅助加热手段，中性束注入加热以其物理机制清楚，加热效率高等优点在目前的托卡马克装置中得以广泛的应用。现有的研究表明等离子体自举电流在等离子体实现高性能稳态运行中具有重要的意义，对自举电流的研究主要集中在本底等离子体自举电流方面。在中性束注入加热过程中产生的快离子将形成一定的空间分布，产生的额外的附加压强的各向异性而产生快离子自举电流。这部分由中性束注入加热而产生的快离子自举电流密度分布有何特点，在总等离子体电流中占多大份额，有哪些影响因素等，这些问题都有待于进一步研究。
　　采用有限体积法数值求解一维 Fokker-Planck方程模拟等离子体中离子的加热情况，研究表明：有限体积法能够克服传统求解方法中分布函数趋于麦克斯韦分布时出现的“过冲现象”。随着中性束的注入等离子体离子分布函数将出现非麦克斯韦化，在中性束注入初始阶段离子温度迅速上升，之后由于高能粒子能量的损失，离子温度出现缓慢的下降，结果与中性束加热实验中离子温度演化曲线符合较好；随着中性束能量和功率的增大，本底等离子体离子的温度均随之增大，但是束能量的增大对等离子体温度的升高影响更为明显。
　　中性束注入等离子体中，首先通过离子化过程而沉积，通过库伦碰撞而慢化加热。数值模拟研究了束在等离子体中的传播和沉积，结果表明，当快离子平均自由程较小时，沉积主要分布在等离子体外缘，随着平均自由程的增加，束在等离子体的中心沉积将出现一个峰值，而当平均自由程大于小半径的2倍时，由于穿透损失，束在等离子体中心的峰值出现减小；当束切向注入位置趋向于等离子体中心时，束在等离子体中的可传播距离增大，快离子密度分布中心峰值迅速增大。
　　采用Taguchi模型数值模拟研究了快离子自举电流密度分布及其影响因素，研究结果表明：当束平行注入时快离子自举电流较小，当束接近于垂直注入时快离子自举电流迅速增大；快离子自举电流随中性束注入能量的增大而增大；考虑电子回流效应，快离子净电流密度显著减小；净电流密度随本底等离子体电子中心温度的增大而增大；由于背景等离子体密度增大时束的透入减少，随等离子体密度的增大净电流密度减小；等离子体有效电荷对净电流大小影响不大，但随有效电荷增大，净电流密度峰值向等离子体边缘偏移。另外，对于束电流密度具有高斯分布的圆形束注入情况下，自举电流密度开始随快离子平均自由程的增大中心峰值增大，而当平均自由程大于小半径的2倍时，快离子自举电流密度有明显的降低；自举电流密度与束的切向注入半径密切相关，当束注入点位置向等离子体中心靠近时，快离子净电流密度大小显著增加。

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第1章 绪 论

1.1能源问题和聚变能

1.2 磁约束受控核聚变

1.3 等离子体加热

1.4 等离子体约束和电流

1．5 自举电流概述

1.6 全文主要研究内容及安排

第2章 中性束注入加热

2.1 中性束的透入和离子化过程

2.2 束沉积

2.3 快离子慢化和等离子体加热

2.4 中性束加热的Fokker-Planck方程求解

2.5 二维Fokker-Planck方程

2.6 小结

第3章 中性束加热下产生的快离子自举电流

3.1物理模型

3.2 大纵横比托卡马克中近似求解

3.3 电子回流效应

3.4 数值模拟结果与分析

3.5 小结

第4章 总结

4.1 论文总结

4.2 论文创新点

4.3 展望

参考文献

博士期间发表论文和报告

致谢