平衡电流对托卡马克非理想磁流体模式的影响

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磁场约束聚变等离子体的能力决定了聚变装置的性能。研究发现,磁场约束聚变等离子体的能力是有限的,由于理想磁流体不稳定性的存在使得磁约束聚变等离子体中存在比压极限。为了提高磁约束聚变装置的效率,实现在装置中有净能量的输出,应提高装置的比压极限,同时抑制理想磁流体不稳定性的发展。在理论研究托卡马克中磁流体不稳定性问题时,需要知道平衡电流剖面。如何选取简单又切实的平衡电流是人们所关心的问题。本文对托卡马克等离子体中不同平衡电流剖面下的磁流体不稳定性进行了数值研究,工作结果为数值研究托卡马克等离子体中磁流体不稳定性提供了理论基础。本文对托卡马克给出了不同平衡电流剖面,对不同的电流剖面给出了相应的平衡位形,分别考虑理想等离子体以及带有粘滞和电阻的非理想等离子体,通过数值求解线性化的磁流体方程组,研究了不同的平衡电流剖面对理想和非理想磁流体不稳定模式的影响,同时讨论了等离子体粘滞和电阻对系统的致稳作用。研究结果表明,对于静止的理想托卡马克等离子体,不同的参数s(也就是不同平衡电流剖面)对理想磁流体不稳定性是有影响的。当参数s越大时,扰动物理量增长得越缓慢,系统能更晚地进入线性增长阶段,同时能使系统得到更小的不稳定性增长率。说明,当参数s越小即平衡电流剖面曲率越小时,系统越不稳定。同时研究还发现,低极向模数的理想磁流体模式更不稳定。当考虑等离子体粘滞和电阻时,模拟结果表明,等离子体粘滞和电阻可以有效地抑制系统扰动物理量的增长,从而降低系统增长率,而且参数取值越大,系统的增长率越小,即等离子体粘滞和电阻都对系统有致稳的作用。而对于考虑等离子体粘滞和电阻的非理想磁流体系统,依然是低极向模数的模式更不稳定。对于考虑等离子体粘滞和电阻的非理想等离子体,通过研究平衡电流对其磁流体不稳定性的影响发现,与理想磁流体性质相同,当参数s越大时,扰动物理量增长得越缓慢,系统更晚地进入线性增长阶段,并且得到更小的不稳定性增长率。说明,当参数s越小即平衡电流剖面曲率越小时,带有粘滞和电阻的非理想磁流体系统越不稳定。
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