EAST托卡马克中高能量粒子与磁流体波相互作用模拟研究

摘要

在磁约束聚变等离子体辅助加热和发生聚变反应的过程中会有大量高能量粒子产生，这些高能量粒子会激发起一些磁流体波，比如阿尔芬本征模和高能量粒子模，反过来，这些磁流体波的存在又会造成高能量粒子的损失，从而降低加热效率。因此，高能量离子对磁流体波的激发及它们之间的相互作用是磁约束聚变等离子体中非常重要的问题。
　　本论文用动理学-磁流体混合程序MEGA模拟研究了EAST托卡马克中高能量粒子与阿尔芬本征模和高能量离子与鱼骨模之间的相互作用。基于EAST上中性束注入加热的真实等离子体平衡位型，本文研究了由中性束注入产生的高能量离子激发的环向阿尔芬本征模。我们把动理学-磁流体混合程序MEGA与M3D-K的模拟结果做了详细对比，结果表明，在EAST的中性束注入的高能量离子参数范围内，两个程序计算结果符合的很好。由于EAST上中性束注入产生的离子速度较低，所以主要为|v‖|≈VA0/3的高能量离子与环向阿尔芬本征模发生相互作用，且模拟发现反电流方向的高能量离子激发起的环向阿尔芬本征模的增长率要小于通电流方向的高能量离子激发的环向阿尔芬本征模的增长率。本文还基于EAST上观测到鱼骨模的平衡，研究了中性束注入产生的高能量离子与鱼骨模的相互作用。早期的理论分析一般考虑单一的通行或单一的俘获高能量粒子效应。本文中高能量离子分布用慢化分布来描述，其中包含了通行和俘获两种高能量离子。模拟结果表明，在鱼骨模的线性激发阶段，通行和俘获高能量离子都是非常重要的。非线性的模拟结果表明，当鱼骨模达到饱和阶段时，鱼骨模的频率会发生向下啁啾，且该过程还伴随着垂直方向高能量离子压强的展平。模拟还发现，在模的饱和阶段与鱼骨模发生相互作用的离子主要为俘获离子，且俘获离子的共振位置随着模的演化在径向会向外移动。模拟计算出的鱼骨模的饱和幅度与EAST实验测量一致。本文还做了一些关于鱼骨模频率与增长率对高能量离子参数的扫描工作，模拟结果与前人的工作都符合的较好。
　　本文关于两程序的对比工作为以后两程序在EAST上开展更深入的研究提供了保障，高能量离子与磁流体波之间相互作用的模拟工作对实验上的相关研究提供了理论参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 聚变概况

1．2 等离子体的加热和高能量粒子的产生

1．3 高能量粒子激发不稳定模式及其研究方法

1．4 本论文框架

第2章 混合模型和MEGA程序

2．2 MEGA和M3D-K程序简介

2．3 MEGA所用基本方程

2．4 MEGA程序涉及的算法描述

第3章 EAST上阿尔芬波模拟研究

3．1 阿尔芬波背景

3．1．1．阿尔芬波基本物理

3．1．2．环几何下的阿尔芬波

3．1．3．阿尔芬波的激发

3．1．4．阿尔芬波的研究进展

3．2 模拟参数的选取

3．2．1．背景等离子体参数

3．2．2．高能量粒子参数

3．3 模拟结果

3．3．1．MEGA程序与M3D-K程序对比

3．3．2．MEGA程序模拟结果

3．4 本章小结

第4章 EAST上鱼骨模模拟研究

4．1 鱼骨模背景介绍

4．2 模拟参数选取

4．2．1．背景等离子体参数

4．2．2．高能量粒子参数

4．3 模拟结果

4．3．1．模结构和模频率

4．3．2．高能量粒子与鱼骨模之间的共振分析

4．3．3．高能量粒子压强剖面的展平

4．3．4．鱼骨模饱和幅度

4．3．5．不同比压βh0下鱼骨模频率和增长率

4．3．6．不同入射能量εbirth下鱼骨模频率和增长率

4．3．7．模拟中的能量守恒

4．3．8．收敛性测试

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 本文总结

5．2 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果