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Rotamak是一种紧凑的磁约束等离子体约束装置。其与传统的托卡马克的区别是其上的等离子体电流是由旋转磁场驱动的。利用旋转磁场驱动和维持等离子体电流在实验上和理论上得到了广泛的研究。在分析旋转磁场驱动等离子体电流的研究中,目前的理论认为当选择旋转磁场的频率满足ωci<<ω<<ωce时,电子随旋转磁场旋转,而离子则作为静止的本底。然而由于电子和离子间的碰撞,离子将随电子产生定向运动,从而影响驱动效率。同时在运动过程中存在的粒子速度分布的空间非均匀性,将产生粘滞力。因此有必要从理论上分析离子运动及粘滞效应对旋转磁场驱动等离子体电流的影响。
本论文我们利用电子和离子的双流体方程,在假设旋转磁场完全渗透到等离子体内部的条件下,得出离子环向运动速度大小与电子环向运动速度大小的比值关系,然后分析离子运动对旋转磁场驱动等离子体电流的影响程度,比较了考虑离子运动前后旋转磁场电流驱动效率的变化。随后我们分析了流体粘滞效应和径向速度对计算结果的影响。
计算表明由于电子和离子间的碰撞,rotamak中的离子将产生与电子运动方向一样的运动,降低旋转磁场的电流驱动效率。电离度越高,离子运动越明显,在电离度很高的情况下,由电子和离子碰撞所引起的离子运动速度的大小可以高达电子速度大小值的30%左右。
粘滞效应和离子径向运动的存在,将阻碍由于电子碰撞产生的离子的环向运动,减弱了离子运动对旋转磁场电流驱动的影响。粘滞效应对离子速度的影响程度远大于其对电子速度的影响程度。离子的粘滞效应会拖拽离子,粘滞系数越大,这种拖拽作用越明显,从而减小了离子的运动速度,使其不能随电子一起运动。在粘滞系数一定的情况下,随着截面半径的增大,离子运动速度与电子运动速度的比值越来越大,即离子对驱动电流的减弱作用随着半径的增大而增大。离子的径向运动损耗了离子的动量,使离子在环向的运动速度减小。特别是在电离度不是很高的情况下离子的环向速度趋向于零,即由于电子碰撞而引起的离子运动会因径向运动效应而减弱甚至消失。