局部驱动螺旋电流对撕裂模不稳定性的影响

采用约化磁流体力学模拟方法,在托卡马克大环径比近似情况下,研究了局部驱动螺旋电流对撕裂模不稳定性的影响,分析了螺旋电流强度、螺旋电流径向沉积宽度以及螺旋电流加入时刻对m=2/n=1经典撕裂模发展过程的影响。研究结果表明:螺旋电流强度的增大和沉积宽度的变窄都会更有效地抑制经典撕裂模的发展,但过强的螺旋电流强度或较小的螺旋电流沉积宽度会引起翻转不稳定性;随着螺旋电流在经典撕裂模发展过程中加入时刻的推迟,其对撕裂模不稳定性的控制效果会越来越差。

射频波电流驱动抑制双撕裂模不稳定性研究

采用不可压缩磁流体模型,在圆柱位形下研究了射频波电流驱动对双撕裂模不稳定性的影响。结果表明,托卡马克装置中沉积在有理面上的同向驱动电流能有效减缓3/1双撕裂模的发展。电流驱动幅值约占等离子体电流初始值的4%、驱动电流沉积宽度约为小环半径的7%时,抑制效果较好。此外,研究表明,在双撕裂模进入快速增长阶段前加入外部驱动电流,才能有效抑制撕裂模的磁爆发。

剪切流对双撕裂模不稳定性的影响

采用二维可压缩磁流体模型,在平板位型下研究了剪切流对双撕裂模不稳定性的影响。具体分析剪切流的幅值和流剪切对双撕裂模不稳定性的影响,发现剪切流幅值越大,剪切流对双撕裂模抑制效果越好,而流剪切强度对双撕裂模的影响受剪切流幅值的影响。当剪切流幅值较小时流剪切强度对双撕裂模演化时间的影响是非线性的,当剪切流幅值较大时,流剪切强度越大双撕裂模的演化时间越长,抑制作用越强。综合来看,剪切流幅值对双撕裂模的影响更大。

局部电流驱动对稳态撕裂模不稳定性的影响

采用二维可压缩磁流体模型,在平板位型下研究了外部局域电流驱动对稳态撕裂模的影响,详细研究了驱动电流的大小和其开始沉积时间对撕裂模不稳定性的影响。研究结果显示:外部驱动电流越大其对磁岛的抑制作用越大,但最后磁岛的饱和宽度也越宽,主要是因为当外部驱动电流沉积在磁岛X点时会使X点位置偏移,导致稳态撕裂模失稳;而且局部驱动电流对撕裂模的抑制作用跟撕裂模所处的状态也有关,外部驱动电流在磁岛增长率小于零的区间开始沉积对撕裂模抑制效果最佳。

真空区域对反场收缩位形撕裂模不稳定性的影响

本文讨论了外面具有真空区域的反场收缩位形的撕裂模不稳定性。得到了关于位形稳定所需限制条件的解析表达式。发现等离子体外面具有真空区域的撕裂模稳定的反场收缩位形是可以实现的。

美国利用人工智能技术实时预测聚变堆等离子体不稳定性

美国普林斯顿大学和普林斯顿等离子体物理实验室的研究人员研发出一个人工智能模型,能够实时预测被称为“撕裂模不稳定性”的聚变堆等离子体不稳定性。聚变能商业应用目前面临着许多重大技术和工程挑战,其中一个是等离子体可能失去稳定性,导致等离子体大规模破裂,进而导致聚变反应不能持续。研究人员使用美国DIII-D国家聚变设施的实验数据来训练这一模型。结果表明,该模型可以提前300毫秒预测撕裂模不稳定性,时间足以供人工智能控制器调整聚变堆运行参数,确保等离子体运行的稳定性。相关研究成果发表于《自然》期刊。

旋转圆柱等离子体中撕裂模和Kelvin-Helmholtz不稳定性的激发特性

采用约化的磁流体力学模型,数值研究了柱位形等离子体中q剖面和极向旋转剖面对q=1撕裂模不稳定性和Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性的影响.随着旋转强度的增加,m/n=1/1模被逐渐抑制,而高阶谐波模式(如m/n=2/2,m/n=3/3等)会经历四个区间:撕裂模失稳区间、撕裂模致稳区间、稳定窗口区间和K-H不稳定性激发区间.更进一步,我们发现,m/n=1/1模的增长率随旋转强度的改变与剪切层所处位置有关,并且剪切层分布在有理面内外的结果基本一致;然而高阶谐波模式却没有此类现象.另外,有理面处磁剪切越小,撕裂模越容易被剪切流抑制,并且越容易激发K-H不稳定性.

EAST反磁剪切q_(min)≈2条件下磁流体力学不稳定性及内部输运垒物理实验结果简述

托卡马克装置内,建立和维持内部输运垒结构是提高等离子体约束的重要保障.本文简单概述了EAST反磁剪切q_(min)≈2实验条件下建立和维持内部输运垒的关联物理过程:“离轴锯齿”和双撕裂模不稳定性;快离子激发的阿尔芬波不稳定性;热粒子激发的低频模不稳定性等.首先,“离轴锯齿”是判断实验条件q_(min)≤2的重要依据.文中详细介绍了“离轴锯齿”的激发条件、分类方式和先兆模结构等基本特征,其崩塌事件由m/n=2/1双撕裂模磁重联诱发产生.其次,在“离轴锯齿”振荡期间,快离子很容易激发比压阿尔芬本征模和反剪切阿尔芬本征模.这两类阿尔芬本征模的环向模数为1≤n≤5,径向位置为环向区域1.98 m≤R≤2.07m(磁轴R0≈1.9 m,归一化小半径0.2≤ρ≤0.45).简述阿尔芬波的激发条件和3种不同物理量(热压力梯度、快离子分布函数和环向流速剪切)等之间的关系.第三,在“离轴锯齿”振荡期间,热压力梯度可以诱发低频模不稳定性.利用一般鱼骨模色散关系很容易得出EAST上低频模的基本特征:1)离子抗磁漂移频率大小;2)阿尔芬波极化方向;3)反应型动理学气球模特征.低频模不稳定性的激发不依赖快离子,主要发生在高的压力梯度区α∝(1+τ)(1+ηi),τ=Te/T_(i),ηi=Lni/LT_(i),也即是足够高的τ和ηi.最后,“离轴锯齿”不稳定性的抑制和内部输运垒结构的建立.EAST内q_(min)≈2条件下内部输运垒建立过程中包括3个重要过程:1)切向(NBI1L)注入比垂直方向(NBI1R)注入的中性束更容易缓解“离轴锯齿”的爆发周期;2)存在“离轴锯齿”的情况高效缓解微观不稳定性,且此位形更有利于内部输运垒结构的建立;3)内部输运垒建立过程中伴随阿尔芬波(1≤n≤5)不稳定性的激发,内部输运垒维持期间存在热离子温度梯度激发的中尺度微观不稳定性(5≤n≤10)等.因此,理解和掌握“离轴锯齿”实验条件的建立和抑制、阿尔芬波的激发和快离子的再分布、热压力梯度相关不稳定性等物理过程,对于内部输运垒形成机制的理解具有重要的借鉴意义.

多层电流片中双撕裂模耦合的压强效应

应用边界层理论研究了等离子体压强对多层电流片中m≥ 2的双撕裂模耦合的线性和非线性发展行为的影响 .考虑等离子体的压强效应 ,在一阶近似下 ,解析求得了环位形中双撕裂模的外区匹配参数Δ′.结果表明 ,当等离子体 β 1时 ,等离子体压强对双撕裂模的两有理面模之间通过撕裂模外区发生耦合作用的线性行为没有定性影响 .虽然等离子体压强将影响双撕裂模耦合的非线性行为 ,但是主要表现在对其单模项的影响 ,而对由于两有理面模之间的耦合作用产生的耦合项的影响却很小 .

基于有限体积法数值模拟双撕裂模非线性演化

以磁流体理论为基础,采用基于有限体积法的通量差分分裂格式数值求解具有双曲保守律形式的电阻磁流体方程组。编写C++程序对平板几何位形下的等离子体双撕裂模进行了长时间数值模拟,得到双撕裂模不稳定性的演化图景,捕捉到了双撕裂模非线性发展过程中磁场重联的几个典型阶段,讨论了等离子体电阻和两个有理面之间的距离对双撕裂模不稳定性非线性发展的影响。为研究磁流体动力学提供了一种可行的高精度数值算法。

涡旋诱发重联模型(Ⅰ)——动力学特性

本文首先从理论上系统地研究了涡旋诱发重联的基本动力学特性.包括:涡旋诱发重联的物理机制;Kelvin—Helmholtz(K-H)不稳定性和撕裂模不稳定性耦合过程;磁流体涡管的基本特性;不同尺度涡旋间的相互作用,动能和磁能间的转化及准稳态时流线、磁力线、等涡度线和等电流密度线的相似性等.用二维MHD数值模拟方法研究了上述一些特性,并与理论分析结论进行了比较.结果表明,模拟结果证实了理论推论.涡旋诱发重联是产生局部磁场重联的重要机制之一,该模型在磁顶区的应用将另文发表.

射频波电流驱动对经典单撕裂模影响的数值研究

本文在平板位型下采用二维可压缩磁流体模型,研究了沉积在不同位置的外部局域驱动电流对稳态经典单撕裂模的影响和极向剪切流对驱动电流抑制磁岛作用的影响。研究发现外部驱动电流对撕裂模的抑制作用对其沉积位置很敏感,尤其是对于其沉积位置在径向的偏移。当存在极向剪切流时,外部驱动电流对撕裂模的抑制作用对极向剪切流的幅值有要求,在阈值范围内极向剪切流越大外部驱动电流对磁岛抑制效果越好,超阈值却相反。