托卡馬克臺(tái)基區(qū)等離子體對(duì)整體約束起關(guān)鍵作用,一方面高臺(tái)基頂部壓強(qiáng)（或臺(tái)基高度）能增強(qiáng)芯部等離子體約束,另一方面臺(tái)基區(qū)大壓強(qiáng)梯度產(chǎn)生強(qiáng)的不穩(wěn)定性,增強(qiáng)熱流和粒子流輸運(yùn)到第一壁和偏濾器,對(duì)邊界材料產(chǎn)生潛在的嚴(yán)重?fù)p傷。因此,臺(tái)基區(qū)等離子體不穩(wěn)定性的研究對(duì)實(shí)現(xiàn)高約束運(yùn)行有重要意義,本文使用較高可拓展性的BOUT++雙流體模型框架,深入分析了 EAST和DⅢ-D托卡馬克邊界的線性不穩(wěn)定性和非線性演化過(guò)程。臺(tái)基不穩(wěn)定性包括氣球模、剝裂模和漂移-阿爾芬波（DAW）等,抗磁效應(yīng)、剪切阿爾芬波和剪切流等能抑制不穩(wěn)定性。本文首先線性模擬和分析抗磁效應(yīng)和剪切流對(duì)氣球模的影響,色散關(guān)系被用于定性分析這些效應(yīng)的物理機(jī)制,得到氣球模和抗磁效應(yīng)的分析結(jié)果與模擬一致。然而,色散關(guān)系的局域性,并不適用于研究剪切流的全局作用。為了更精確的分析這些效應(yīng)的貢獻(xiàn),以及剪切流對(duì)氣球模的影響,本文提出了積分色散關(guān)系,即模結(jié)構(gòu)的數(shù)值積分解色散關(guān)系,得到不同物理項(xiàng)的線性增長(zhǎng)率。另外,利用動(dòng)能在全空間的數(shù)值積分,分析不同物理效應(yīng)對(duì)自由能的貢獻(xiàn)。上述線性分析表明氣球模不穩(wěn)定性由曲率驅(qū)動(dòng),提供自由能;抗磁效應(yīng)和剪切流抑制曲率驅(qū)動(dòng),吸收自由能... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

圖１．１托卡馬克（左）和仿星器（右）的磁場(chǎng)幾何位形示意圖⑴

第１章緒?論??子和離子，也可能激發(fā)等離子體不穩(wěn)定性，形成魚(yú)骨模等［３＾］，最終需要通過(guò)偏??濾器（Ｄｉｖｅｒｔｏｒ）排出。偏濾器是托卡馬克邊界的一個(gè)重要裝置，偏濾器如圖１．２??‘Ｄｉｖｅｒｔｏｒ’所示，另外邊界等離子體打到靶板上產(chǎn)生的雜質(zhì)，也需要通過(guò)偏濾器??排出，否則氦灰和雜質(zhì)的積累會(huì)向內(nèi)輸運(yùn)，影響等離子體穩(wěn)定性。??＿??圖１．２?ＣＦＥＴＲ托卡馬克橫截面示意圖，偏濾器為圖中Ｄｉｖｅｒｔｏｒ所示的綠色裝置，Ｓｈｉｅｌｄ??ｂｌａｎｋｅｔ表示包層１７１。注意，最新的ＣＦＥＴＲ設(shè)計(jì)不包括下斜（Ｐｏｒｔ?ｐｌｕｇ?３）窗口。??目前國(guó)內(nèi)主要運(yùn)行的磁約束裝置有托卡馬克裝置ＥＡＳＴ、ＨＬ－２Ａ和Ｊ－ＴＥＸＴ??等，反場(chǎng)箍縮裝置ＫＴＸ。在建的托卡馬克裝置有ＨＬ－２Ｍ。國(guó)際上主要有美國(guó)ＧＡ??的ＤＩＩＩ－Ｄ、ＭＩＴ的Ａｌｃａｔｏｒ?Ｃ－Ｍｏｄ、普林斯頓大學(xué)的球馬克ＮＳＴＸ－Ｕ、歐盟的ＪＥＴ、??德國(guó)的托卡馬克ＡＳＤＥＸ－Ｕ和仿星器Ｗｅｎｄｅｌｓｔｅｉｎ７－Ｘ、法國(guó)的ＷＥＳＴ、瑞士的??ＴＣＶ和英國(guó)的球馬克ＭＡＳＴ等。在建的大型托卡馬克有ＩＴＥＲ，以及設(shè)計(jì)中的??ＣＦＥＴＲ，這兩個(gè)裝置都基于目前運(yùn)行的托卡馬克實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，外推到大尺度裝置，??理論上能實(shí)現(xiàn)氘氚核聚變和能量增益。??１＿２托卡馬克邊界等離擲簡(jiǎn)介??托卡馬克邊界和芯部物理差異比較大，芯部密度和溫度高，碰撞率比較小，??需要考慮等離子體沿磁力線的回旋運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，邊界密度和溫度相對(duì)較低，碰撞率??比較大，回旋效應(yīng)相對(duì)較弱，電磁流體適用于邊界大部分物理分析。托卡馬克邊??界由臺(tái)基區(qū)（Ｐｅｄｅｓｔａｌ）和刮削層（（ＳＯＬ）組成，臺(tái)基區(qū)如圖１．３所示的Ｐｅｄｅｓｔａ丨區(qū)??域［

?第１章緒?論???域，等離子體在ＳＯＬ區(qū)域會(huì)沿著磁力線打到偏濾器靶板上，以及徑向輸運(yùn)到第??一壁。托卡馬克邊界等離子體對(duì)整體約束有很重要的作用，一方面邊界等離子??體與壁接觸，邊界等離子體溫度密度越低，對(duì)材料損傷也就越校另一方面臺(tái)基??頂部等離子體與芯部聯(lián)系，芯部需要高溫高密等離子體發(fā)生聚變反應(yīng)，高臺(tái)基頂??部有利于增大芯部溫度和密度。因此，若臺(tái)基區(qū)形成陡的密度溫度梯度，能明顯??提高芯部參數(shù)，增加儲(chǔ)能，這種特點(diǎn)的運(yùn)行模式稱(chēng)為Ｈ模（Ｈ－ｍｏｄｅ）。圖１．３展示??ＤＩＩＩ－Ｄ中Ｈ模（Ｈ－ｍｏｄｅ）和Ｌ模（Ｌ－ｍｏｄｅ），相比Ｌ模，Ｈ模臺(tái)基區(qū)電子溫度和密??度梯度比較陡，臺(tái)基頂部密度溫度比較高。另外，Ｈ模的優(yōu)點(diǎn)是隨著注入功率的??增加，約束性能上升，而Ｌ模則會(huì)隨著功率上升而下降。因此，Ｈ模對(duì)提高等離??子體約束有重要意義，本文主要研宄托卡馬克Ｈ模放電條件下，邊界等離子體??的不穩(wěn)定性和湍流。??ＤＩＩＩ－Ｄ??．⑷？二?￣ｐｅｄｅｓｔａｌ??。６．隊(duì)’?￥??１．０?Ｍ?／?Ｔｅ（ｋｅＶ）?？?？??。５＿＾％?：??１４４９７７??０．８?０．９?１．０??Ｒａｄｉｕｓ?（ｔ｜＞）??圖１．３?ＤＩＩＩ－Ｄ中電子密度和溫度的Ｈ模和Ｌ模剖面１＊１。??ＤＩＩＩ－Ｄ托卡馬克中Ｈ模放電的不同參量隨時(shí)間演化如圖１．４所示，在１０００ｍｓ??附近，隨著注入功率的增加，等離子體實(shí)現(xiàn)了?Ｌ模到Ｈ模（Ｌ－Ｈ）轉(zhuǎn)換，儲(chǔ)能（Ｓｔｏｒｅｄ??ｅｎｅｒｇｙ）和邊界壓強(qiáng)都明顯增加。在Ｈ模階段，偏濾器耙板熱通量（Ｄｉｖｅｒｔｏｒ?ｈｅａｔ??ｆｌｕｘ）周期性的爆發(fā)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為邊界局域模（ＥＬＭｓ）爆發(fā)，ＥＬＭｓ定


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