简述等离子体平衡流和反馈制约对电阻壁模稳定化影响怎样

摘要：在托卡马克等离子体中,具有全域结构的外扭曲模可以轻易地在宏观上迫使等离子体柱扭曲碰壁,以而迅速导致大破裂的产生,由此,外扭曲模成为托卡马克装置中最危险的磁流体不稳定方式之一。另外,外扭曲模还极大地限制着装置的等离子体比压。幸运的是,在等离子体外侧包围一层理想导体壁后,导体壁上感应出的感应电流可以将外扭曲模完全稳定住,以而提升装置的等离子体比压。然而,实际的导体壁上都带有有限电阻,该电阻将导致在导体壁上的感应电流滞后并耗散,由此不能将外扭曲模完全稳定住,形成一种新的增加率较低的不稳定方式,称为电阻壁模。当装置的放电时间超过扰动量在电阻壁内的扩散时间后,电阻壁模仍然可以增加起来并最终导致大破裂。对于大尺度的托卡马克装置(例如：ITER装置)来说,要实现高收益的长时间放电,如何稳定电阻壁模是探讨工作者不得不面对和解决的不足。目前的探讨表明,稳定电阻壁模的策略主要有两种。其一,当等离子体具有一定粘滞时,等离子体与电阻壁的相对旋转可以将电阻壁模稳定住。但是,目前实验上观测到的临界稳定速度显著要低于论述计算得到的预测值。另外,这种使电阻壁模稳定的耗散机制仍然需要进一步探讨。另一种策略是在装置中引入自动反馈制约系统。制约论述是一种新兴的工业手段,可以对等离子体中的磁流体不稳定性进行有效制约。但是当反馈制约系统进入非线性饱和阶段后,如何实现对电阻壁模的有效制约目前鲜有工作进行探讨。本论文主要探讨带有电阻壁的等离子系统统中几种磁流体不稳定性及其稳定。第一章,简要介绍本课题的探讨背景,并在论述和实验上综述了电阻壁模及稳定电阻壁模的两种方式的探讨进展。第二章,采取含有等离子体粘滞的非理想磁流体力学方程组对等离子体进行描述,在电阻壁处做薄壁近似检测设,运用求解初值不足的策略,建立LARWM程序,验证程序后,讨论运用该程序探讨电阻壁模时的适用范围。第三章,在无壁模型中,运用LARWM程序探讨离轴驱动加热对外扭曲模的影响。探讨表明,离轴驱动加热产生电流峰的宽度大于临界值时,电流峰越窄越有利于降低外扭曲模的增加；电流峰的幅值越高越有利于外扭曲模的稳定,甚至可以实现完全稳定；当电流峰中心位置超过临界位置rcr=0.85时,越靠近等离子体边缘外扭曲模的增加率越低。第四章,分别针对具有全域和局域的两组平衡剪切流结构,运用LARWM程序探讨平衡剪切流对电阻壁模稳定性的影响。探讨发现,等离子体边缘处的速度幅值和剪切度对电阻壁模的稳定性有一定影响,平衡流携带的惯性能量对其稳定性的影响最为重要,等离子体中心处的剪切流结构对电阻壁模稳定性没有显著影响。第五章,引入自动反馈制约系统,探讨当系统进入非线性制约阶段后,电阻壁模的特性以及有效的反馈制约案例。结果表明,当且仅当在进入非线性阶段时刻被控信号低于设定阈值时,通量电流制约案例才可以实现对电阻壁模的稳定化作用。通量电压制约案例则是相比较较理想的制约案例,进入非线性反馈制约阶段后电阻壁模仍然可以被稳定。第六章,采取简征模法对平板模型下含有电阻壁的理想等离子系统统进行计算,根据本征方程数值求解了本征模,经过验证三支解分别为稳定的等离子体寻常模,等离子体流驱动的KH模,以及流驱动的电阻壁不稳定性。另外,等离子体粘滞对流驱动电阻壁不稳定性的稳定边界并没有显著的影响。当等离子体粘滞达到临界值后,随着等离子体平衡流的增加,系统将会出现第二稳定区。最后,对全文进行总结并对未来做出展望。关键词：托卡马克论文等离子体论文电阻壁模论文平衡剪切流论文自动反馈论文

摘要4-6

Abstract6-11

CONTENTS11-14

图表目录14-20

1 绪论20-42

1.1 核聚变能源与托卡马克装置20-22

1.2 磁流体不稳定性22-28

1.2.1 装置的比压极限与外扭曲模22-25

1.2.2 先进托卡马克装置25-26

1.2.3 电阻壁模及其稳定策略26-28

1.3 等离子体流与电阻壁模28-31

1.4 自动反馈制约与电阻壁模31-40

1.4.1 自动反馈制约介绍31-37

1.4.2 自动反馈制约与电阻壁模37-40

1.5 流驱动的电阻壁不稳定性40-41

1.6 本论文主要探讨内容及安排41-42

2 线性浅析程序LARWM42-64

2.1 背景介绍42-44

2.2 模型建立44-57

2.2.1 几何模型44

2.2.2 物理模型及边界条件44-57

2.3 程序验证57-63

2.3.1 平衡位形57-58

2.3.2 无导体壁的等离子体柱58-60

2.3.3 带有电阻壁的系统60-63

2.4 本章小结63-64

3 平衡电流分布对外扭曲模的影响64-72

3.1 探讨背景64-65

3.2 初始电流分布65-66

3.3 数值结果及讨论66-71

3.3.1 电流峰宽度66-67

3.3.2 电流峰幅值67-69

3.3.3 电流峰位置69-71

3.4 本章小结71-72

4 等离子体流对电阻壁模的影响72-93

4.1 探讨背景72-74

4.2 等离子体的刚性旋转对电阻壁模的影响74-77

4.3 全域剪切流对电阻壁模的作用77-87

4.3.1 等离子体表面处速度幅值的影响77-80

4.3.2 等离子体表面处平衡流剪切度的影响80-83

4.3.3 等离子体平衡流携带的惯性能量的影响83-87

4.4 局域剪切流对电阻壁模的影响87-91

4.5 本章小结91-93

5 反馈制约对电阻壁模的影响93-122

5.1 探讨背景93-96

5.2 模型建立96-100

5.3 开环系统中电阻壁模的演化100-102

5.3.1 选取电流为被控量100-101

5.3.2 选取电压为被控量101-102

5.4 未达饱和状态的闭环系统与电阻壁模102-106

5.4.1 通量与电流的制约案例103-104

5.4.2 通量与电压的制约案例104

5.4.3 电压与电压的制约案例104-105

5.4.4 电压与通量的制约案例105-106

5.5 反馈线圈达到饱和的非线性制约阶段106-114

5.5.1 通量与电流的制约案例106-108

5.5.2 通量与电压的制约案例108-114

5.6 数值验证114-121

5.6.1 模型建立114-115

5.6.2 数值结果与浅析115-121

5.7 本章小结121-122

6 流驱动电阻壁不稳定性122-133

6.1 探讨背景122-124

6.2 模型建立124-126

6.2.1 几何模型124

6.2.2 物理模型及边界条件124-126

6.3 本征方程及数值结果126-128

6.4 等离子体粘滞对流驱电阻壁不稳定性的影响128-131

6.4.1 物理模型及本征方程128-129

6.4.2 数值结果129-131

6.5 本章小结131-133

7 结论与展望133-136