【摘 要】
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在托卡马克聚变实验研究中,由于漂移波湍流而导致的湍流输运一直是一个难题。为了达到聚变能产生条件,以及减少聚变实验装置建造费用,人们需要减少等离子体的径向输运,改善等离子体约束性质。人们在研究中发现,在湍流发展过程中,湍流可以激发出带状流来,而带状流可以分成两支。一支是低频带状流,另外一支是测地声模。它们的共同特点是两者都具有环向和极向对称的电势扰动,不同之处在于低频带状流的密度扰动同样是环向和极向
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在托卡马克聚变实验研究中,由于漂移波湍流而导致的湍流输运一直是一个难题。为了达到聚变能产生条件,以及减少聚变实验装置建造费用,人们需要减少等离子体的径向输运,改善等离子体约束性质。人们在研究中发现,在湍流发展过程中,湍流可以激发出带状流来,而带状流可以分成两支。一支是低频带状流,另外一支是测地声模。它们的共同特点是两者都具有环向和极向对称的电势扰动,不同之处在于低频带状流的密度扰动同样是环向和极向对称的,而测地声模具有极向模数m=1的密度扰动。这两支模式都可以产生极向流,从而抑制湍流及其导致的输运。在近年来,带状流和湍流的相互作用研究受到了人们越来越多的重视。在本文中,我们先介绍了聚变能源的研究历史,研究聚变的各类装置,等离子体行为的描述方法以及漂移波的基本性质。接着我们介绍了研究中使用的粒子模拟程序GTS以及它的基本物理框架,然后介绍了我们研究的三个主要部分:(1)测地声模的径向性质。测地声模对于等离子体约束有着重要的影响,但之前人们对它的径向性质研究较少。因为等离子体密度和温度在托卡马克小半径方向具有不均匀性,测地声模的频率在小半径形成了连续谱。我们通过分析模拟的数据得到测地声模振荡频率的连续谱,与现有的理论进行了对比。它们在测地声模出现的主要区域吻合得较好。同时,频率的连续谱会导致测地声模出现径向波数变大的现象。我们还对测地声模在径向上的传播进行了研究,发现它的传播速度和离子热速度有着简单的正比例关系。(2)我们研究了湍流产生的径向电场大小和电子离子质量比的关系。我们发现,随着电子离子质量比的增大,径向电场变小,模拟中的湍流强度以及由此导致的输运变大。这与托卡马克实验中观测到的在接近的放电条件下氘等离子体比氢等离子体放电的约束性质好定性地吻合,同时,也与人们在实验中观察到的氘等离子体的L-H模转换加热阈值比氢等离子体要低定性吻合。大量的等离子体同位素实验表明氚等离子体有着比氢等离子体更好的约束性质,我们认为这主要是由于带状流大小的不同导致的。(3)我们研究了带状流和湍流强度在非线性阶段的演化规律,发现它们呈现一种反相位的关系,即径向电场大时湍流弱,径向电场小时湍流强。实验上也观测到了同样的相位关系。我们对这样的相位关系的成因进行了探讨,并对带状流抑制湍流的机制进行了一些探索。最后,我们对我们的研究结果进行了总结并对未来的工作进行了展望。
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