EAST上磁位形和杂质对束离子约束和加热影响的数值模拟

利用程序ORBIT和TRANSP/NUBEAM模拟研究全超导托卡马克实验装置(EAST)等离子体位形和杂质的特征参数Z_eff(有效电荷数)对束离子约束和加热的影响。结果表明：在等离子体位形中,随着最后一个封闭通量表面与中面外容器壁之间的距离(gapout)和环向磁场强度的增加,快离子的损失(包含瞬时损失和波纹损失)也随之减少,因此中性束的加热效率随着gapout的增加而提高。此外,随着背景等离子体杂质的增加(即Z_eff的增加),增加了束损失,导致最后束加热效率降低。选择合适的磁位形,同时降低背景的杂质含量可以增强快离子约束,提高束的加热效率。     

低频Alfvén波对等离子体非共振加热与随机加热的粒子模拟

采用粒子模拟方法,研究沿背景磁场方向传播的低频Alfvén波对磁化等离子体加热的物理过程.模拟结果表明:离子在垂直和平行于背景磁场的方向都得到明显的加热,在非共振加热阶段,垂直方向比平行方向的加热效果更加显著,形成温度各向异性;在随机加热阶段,垂直和平行方向的温度最终达到饱和且趋于一致.加热过程中,离子所获得动力学温度的最大值由外加磁场能量密度与等离子体密度的比值决定,与Alfvén波的频率及振幅无关;离子在平行于背景磁场方向上被加速,并最终获得相当于Alfvén波相速度大小的流速.     

The effects of a static magnetic field on the microwave absorption of hydrogen plasma in carbon nanotubes： a numerical study

We theoretically investigate the microwave absorption properties of hydrogen plasma in iron-catalyzed high-pressure disproportionation-grown carbon nanotubes under an external static magnetic field in the frequency range 0.3 GHz to 30 GHz, using the Maxwell equations in conjunction with a general expression for the effective complex permittivity of magnetized plasma known as the Appleton-Hartree formula. The effects of the external static magnetic field intensity and the incident microwave propagation direction on the microwave absorption of hydrogen plasma in CNTs are studied in detail. The numerical results indicate that the microwave absorption properties of hydrogen plasma in iron-catalyzed high-pressure disproportionation-grown carbon nanotubes can be obviously improved when the exter- nal static magnetic field is applied to the material. It is found that the specified frequency microwave can be strongly absorbed by the hydrogen plasma in iron-catalyzed high-pressure disproportionation-grown carbon nanotubes over a wide range of incidence angles by adjusting the external magnetic field intensity and the parameters of the hydrogen plasma.     

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为充分利用SUNIST球形托卡马克欧姆场的双向磁通,延长等离子体电流平顶时间,对欧姆场的电源系统进行了改造。提出了一种基于多个IGBT并联大电流低频开关的H桥双向放电电路,研发了该双向放电电路的核心元件——3kV/10kA级的IGBT并联大电流开关。对单相电容准恒流充电电路与三相桥式电容换流充电回路进行了研究,合理地确定了双向放电主回路中两组储能电容器C1和C2的充电系统。经过安装、调试以及初步试验,在欧姆场线圈中得到了从正10kA到负6kA的双向放电电流,等离子体电流波形也有明显改善。     

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依据钨材料表面溅射的实验现象,建立钨材料表面粗糙模型,模拟了高能H+、He+粒子辐照下的钨材料表面的溅射行为过程,并与基于离子输运的双群模型计算得到的结果作了比较。结果表明,随着钨材料表面粗糙程度的增加,溅射率降低;对一定的粗糙表面,相同能量的不同入射粒子,质量越大粒子溅射率越高,这些结果为分析聚变装置中心等离子体杂质水平和评价偏滤器寿命等提供了一定的理论支撑。     

螺旋天线轴向长度对螺旋波传播、吸收的影响

采用有限元法数值求解Maxwell方程组,分析H-1仿星器实验参数下螺旋天线的轴向长度对螺旋波传播、吸收的影响。计算结果表明：随着螺旋天线轴向长度的增加,天线总辐射能量和辐射电阻逐渐增大;在H-1等离子体中螺旋天线主要激发m=±1模式波,其中m=-1模式波一般在等离子体边界传播;全波螺旋激发的波能量主要沉积在等离子体边界,导致等离子体径向能量较强的非均匀吸收,加热效果不理想;半波螺旋天线激发的波可深入主等离子体区域传播,等离子体径向能量吸收相对均匀,加热效果好。     

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研究了在托卡马克装置中中性束注入时快离子自举电流的产生。利用快离子分布函数在两小增量δ=ρp/a (ρp是极向拉莫尔半径,a是小半径)和δ*=τB/τs(τB是俘获粒子反弹周期,τs是慢化时间)下进行展开的方法求解漂移动力学方程;给出了快离子自举电流的一般表达式。计算了圆截面大纵横比托卡马克中快离子自举电流密度分布和总的快离子自举电流的大小,研究表明：在中性束垂直注入时快离子自举电流约占总电流10%;自举电流的大小既敏感地依赖于中性束注入的角度——平行注入时较小、接近垂直时迅速增大,同时也较强的依赖于快离子的产生速度与临界速度的比值,即vb/vc,而vb2∝E(束能量);自举电流的大小随注入束能量的增加而迅速增大。     

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采用流体模型理论推导了等熵平衡条件下环向转动托卡马克等离子体中带状流的色散关系。从理论上分析了环向转动对测地声模、低频带状流和声波的频率、压力和密度扰动量的影响。结果表明,环向转动对低频带状流的频率没有影响,但会使测地声模的频率逐渐增大。此外,存在环向转动时,低频带状流会具有驻波形式的压力和密度扰动量,且测地声模和声波可以沿着极向传播。而且还发现,等熵平衡可以看成是等温平衡的一种特殊情况。     

外部驱动电流抑制双撕裂模的发展

在Hall MHD方程组中引入外部驱动电流项,数值模拟外部驱动电流对双撕裂模不稳定性的影响.结果表明,在x点加入反向外部驱动电流对撕裂模的发展有抑制作用,周期性的外部驱动电流对双撕裂模不稳定性的抑制效果较好,能控制磁岛的尺度在相互驱动的临界尺度以下,避免发生双撕裂模非线性磁场重联的爆发,随着驱动电流周期变大抑制效果变坏,在一定限度内随着驱动电流强度增大抑制效果变好,在一定范围内随着驱动电流宽度变小抑制效果变好.     

托卡马克高场侧低杂波电流驱动模拟研究

利用GENRAY/CQL3D程序研究了EAST装置双零位形下高场侧和低场侧发射低杂波的电流驱动情况.模拟发现,电子密度较小时,高场侧低杂波电流驱动效果不如低场侧.随着电子密度的增加,高场侧低杂波电流驱动的优势逐渐显现,从高场侧发射的低杂波可以将能量沉积在更加靠近等离子体中心的位置.提高环向磁场强度有利于低杂波在高密度条...