反场构形磁化等离子体物理的理论与数值模拟研究

摘要

聚变研究不仅是国际学术界的研究热点，也是世界上各大国政府重点支持的研究项目。惯性约束聚变和磁约束聚变一直是重要的两个研究方向，但是从上世纪后期开始，聚变等离子体的密度和约束时间介于惯性约束聚变和磁约束聚变之间的磁化靶聚变概念成为聚变研究的另一个重要研究方向。根据磁化靶聚变构形的差异，又逐渐演绎出等离子体套筒内爆聚变(PLX)、磁化惯性约束聚变(Magnetic ICF)和磁化套筒聚变(MgLIF)等方案，这些通称磁惯性约束聚变。虽然构型不同，但是其核心思想是先产生预加热的磁化等离子体靶，然后惯性压缩磁化等离子体靶达到聚变条件。本文通过理论和数值模拟方法，对磁化靶聚变中反场构形磁化等离子体(FRC)进行初步研究，这在磁流体力学和等离子体物理中具有重要的学术价值，对磁惯性约束聚变的理解和进一步开展研究工作也有重要意义。
　　本文在对现有FRC理论充分理解的基础上，推导出了描述磁化等离子体平衡状态的刚性转子模型，根据此模型能得到平衡状态下等离子体的密度、压强和电流等参数，通过与两维磁流体力学程序模拟结果的对比，表明刚性转子模型的正确性。此结论，为通过外部参数的测量来反演FRC内部参数的实验技术奠定了数据处理的理论基础。
　　本文对反场构形FRC中可能出现的多种不稳定性模式进行了理解和分析，认为倾斜不稳定模式是FRC中比较重要的不稳定性，通过理论分析及数学推导加深了对倾斜不稳定模式的模数模式、增长机制的理解。
　　本文对已有的二维磁流体程序在模型和计算方法等方面进行了改进，引入霍尔与电子压强梯度项及反常电阻效应，改进后的二维磁流体程序(L-YG)能用于FRC从预电离之后的形成和传输过程进行数值模拟和分析，得到了一系列的合理物理图像，加深了对FRC靶物理过程的理解。
　　应用L-YG程序，对在建的“荧光-1”装置参数进行了优化设计和模拟分析，得到以下结果:给出了实验装置中线圈不对称性、角向箍缩线圈分段等对等离子体靶寿命的影响;定量给出了角向箍缩线圈及磁镜线圈允许的最大磁场/电流偏差分别为5％和25％;优化设计了角向箍缩线圈分段数及间隙宽度;提出了等效磁场位型方法，对等离子体团在磁场中运动的模拟较为理想。这些结果对后续“荧光-1”的研制、反场构形等离子体的实验诊断、相关模拟分析工作具有重要的意义。

目录

声明

摘要

第1章．引言

1．1 背景

1．2 反场构形内部结构参数

1．3 反场构形主要物理过程简述

1．3．1 FRC形成过程

1．3．2 FRC平衡及其特性

1．3．3 反场构形等离子体不稳定模式的特性

第2章．国内外研究进展及本论文研究内容

2．1 国内外研究进展

2．1．1 国外现状

2．1．2 国内现状

2．2 本论文拟开展研究内容

2．2．1 反场构形等离子体不稳定模式理论研究

2．2．2 二维磁流体程序的

2．2．3 反场构形实验装置参数优化设计

第3章．反场构形等离子体的解析平衡模型

3．1 平衡的“刚性转子”模型

3．1．1．1 密度分布及电流、压强分布

3．1．1．2 磁感应强度径向分布

3．2 二维数值模拟结果

3．2．1 密度分布

3．2．2 轴向磁感应强度分布

3．3 讨论

3．3．1 RR模型适用范围

3．3．2 K值的选取

3．3．3 两种计算方法对比验证

3．3．4 绝热系数

3．3．5 解析模型的优点与局限性

3．4 小结

第4章．反场构形等离子体倾斜不稳定模式

第5章．反场构形等离子体二维磁流体力学程序改进

5．1 程序的整体结构与特点

5．1．1 MHD简介

5．1．2 程序结构

5．1．3 程序所用物理模型

5．2 程序应用计算实例

5．2．1 计算实例的初始设置

5．2．2 计算实例的结果概览

5．3 小结

第6章．反场构形实验装置结构参数优化设计4

6．1 “YG-1”实验装置结构及电参数设计

6．1．1 介绍及模拟环境

6．1．2 初始磁场

6．1．3 主磁场

6．1．4 Cusp／磁镜场

6．1．5 初始密度

6．1．6 小结

6．2 磁场不对称性对等离子体寿命的影响

6．2．1 介绍

6．2．2 等效磁场位型模拟磁场不对称性对等离子体寿命的影响

6．2．3 MIlD模拟磁场不对称性对等离子体寿命影响

6．2．4 讨论

6．3 角向箍缩线圈分段对等离子体寿命的影响

6．3．1 介绍

6．3．2 模拟参数设置与结论

6．3．3 讨论

6．4 小结

第7章．全文总结与未来工作展望

致谢

参考文献

在读期间发表学术论文和学术会议