EAST中性束注入下鱼骨模不稳定性的分析研究

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本论文依托EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak)实验平台。为了实现EAST装置高参数稳态运行的科学目标,EAST装置配备了高效灵活的辅助加热系统。其中,中性束注入加热(NBI)是一种加热效率高且物理机制较清楚的辅助加热手段。中性束注入期间会产生大量的高能离子,这些高能离子存在固有的自由能,会激发磁流体不稳定性。本文主要研究在EAST装置中高能中性束注入引起的离子鱼骨模。目前有两种理论解释离子鱼骨模振荡,一个是Chen-Rosenbluth分支,该理论表示离子鱼骨模是由高能俘获离子与内扭曲模(n=m=1)相互共振产生的,其频率与俘获高能离子的进动频率相当,当快离子比压比较大时,容易出现鱼骨模。另一个分支是Coppi-Porcelli分支,该理论是在Chen-Rosenbluth分支基础上加入了逆磁漂移频率效应,模的频率与背景等离子体的离子逆磁漂移频率相当,在快离子比压较低时,鱼骨模也会爆发,模的损失机制是离子的黏度效应和动量转换。相关研究表明,这两种不同的分支在一定的条件下可以同时存在或者合并。本文着重讨论在中性束注入下由高能离子束激发的离子鱼骨模。首先,在EAST装置物理实验中,通过软x射线和米尔诺夫磁探针信号,获得了离子鱼骨模的周期、振幅、模数以及频率特征,离子鱼骨模扰动频率为1 kHz-6 kHz,模频率具有明显的跳变行为。在数值模拟研究中,本文运用TRANSP程序中NUBEAM模块模拟计算出了等离子体电流、中子产额、束功率沉积以及束功率损失。模拟结果表示在EAST装置中等离子体电流主要由欧姆电流提供;中子产额大约为1.2×1014 n/s,这与实验值在量级上是基本吻合的;束功率模拟结果显示大概70%的束功率沉积在背景等离子体,剩下的30%束功率被损失掉了,本文主要介绍了四种能量损失机制,其中穿透损失为主要的损失机制。另外,运用TRANSP程序模拟出快离子分布,通过对快离子分布分析可以得出,离子鱼骨模是由深度俘获高能离子激发的,模频率与深度俘获高能离子的进动频率相当,频率为14kHz-19kHz。最后,本文采用捕食-被捕食模型再现鱼骨模爆发的实验结果,模周期大概是2ms-3ms。模型结果表明,这种不稳定性在临界的快离子比压附近做周期性振荡,并得出鱼骨模振幅与深度俘获粒子的沉积率息息相关。
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