撕裂模、双撕裂模、锯齿振荡等磁流体不稳定性是托卡马克等离子体中亟待解决的一些问题,它们的出现会严重破坏磁面结构、降低等离子体约束性能、甚至导致大破裂发生。因此,研究托卡马克中磁流体不稳定性的物理机制及其控制方法对实现可控热核聚变具有重要的意义。本文利用CLT代码研究了共振磁扰动(Resonant Magnetic Perturbations,RMPs)对撕裂模和锯齿振荡的影响以及双撕裂模的非线性演化的物理机制。该代码在柱坐标系(R,φ,Z)下求解完整的磁流体方程组,可以自动包含环效应,能够更全面地研究磁流体不稳定性问题。关于外加RMPs对撕裂模的影响的研究表明,外加强度比较小的RMPs时撕裂模进入振荡状态,强度比较大时则发生锁模。外加单模数的m/n=2/1的RMP时,锁模阈值随着等离子体旋转频率和RMP爬升时间的增大而增大。外加多个模数的RMPs时由于环效应会促进锁模的发生。同时外加m/n=3/1和m/n=2/1(m为极向模数)或者同时外加m/n=4/2和m/n=2/1的RMPs可以通过提高m/n=2/1以及其高阶分量m/n=4/2扰动的增长促进锁模的发生。同时外加m/n=2/1和m/n=2/1的高阶模数的RMPs更容易促进锁模。另外发现,m/n=3/1的RMP和m/n=2/1的RMP的相位同相时会促进锁模的发生,反相则会抑制锁模的发生。关于双撕裂模在非线性阶段的演化特性。首先研究发现,无论是在中等有理面间距下还是大有理面间距下,随着在外有理面位置的磁剪切强度的增加,双撕裂模在早期非线性阶段都可以发生爆发性增长。随后系统地研究了内外有理面的位置以及在内外有理面位置的磁剪切强度和磁轴处安全因子的大小对双撕裂模非线性演化结果的影响。研究发现,当有理面间距比较大、或者有理面位置的剪切强度比较弱、或者磁轴处的安全因子比较小时,内外有理面的磁岛独立增长,经历非线性阶段后最终达到稳定的饱和状态,内外有理面磁岛宽度和的一半总小于两个有理面间的间距。反之,当有理面间距比较小、或者有理面位置的剪切强度比较强、或者磁轴处的安全因子比较大时,则内外有理面处的磁岛由于发生强烈相互作用在早期非线性阶段发生快速增长,此时内外有理面磁岛宽度和的一半大于两个有理面间的间距。关于RMPs对锯齿振荡的影响的研究表明,无论外加n=1还是n=2分量的RMPs,m/n=2/1的磁岛的生成有利于控制锯齿振荡。考虑初始平衡环向流时,如果同时发生m/n=2/1和m/n=1/1锁模时,m/n=2/1的磁岛能够抑制演化出的m/n=2/2的模,从而使锯齿振荡的周期会明显缩短、幅度明显减小,再次表明m/n=2/1的磁岛在控制锯齿振荡的过程中起到重要作用。另外平衡的环向流由于产生等离子体屏蔽效应会削弱RMPs对锯齿振荡的控制效果。最后对比了外加几种不同类型的RMPs对锯齿振荡控制效果的影响,结果发现同时外加n=1和n=2的所有谐波分量的RMPs时控制效果最好,这是由于环效应,同时外加多个模数的RMPs减弱了等离子体屏蔽作用且促进了模耦合的进程。
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