托卡馬克邊界微觀湍流的數值模擬.pdf

1、作為一種磁約束裝置，托卡馬克是目前實現(xiàn)可控核聚變從而終極解決人類能源問題最可行的方式之一。高約束模式(H-mode)運行方式使托卡馬克更容易達到臨界點火條件，因而成為國際熱核聚變反應堆(ITER)計劃的主要工作模式。過去三十余年，H模的一些關鍵物理依然未得到完全理解，如邊界區(qū)的不穩(wěn)定性、湍流輸運，以及L與H相互間的轉化機制。
　　經過近二十年的發(fā)展，基于第一性原理的回旋動理學模擬已經成為研究托卡馬克湍流和輸運的主要工具。本文通過回

2、旋動理學模擬(GTC代碼)詳細研究了HL-2A近期的幾炮H模實驗數據。對于靜電模，模擬得出它主要是捕獲電子模(TEM)，其非線性的頻率和模數與實驗一致。我們發(fā)現(xiàn)H模的邊界區(qū)域中，在線性情況下呈現(xiàn)的是非常規(guī)的氣球模結構，其模結構的峰值并不像傳統(tǒng)L模下那樣局域在極向投影面的外側中平面附近，而是出現(xiàn)極向角局域在0到2π任何位置或者在極向出現(xiàn)多峰。通過掃描梯度參數，線性最不穩(wěn)定模的頻率也與L模那支不同，而是有頻率的跳變，梯度大于某臨界值時跳變到

3、另一支。非線性譜的逆級聯(lián)(cascading)過程，也并不像傳統(tǒng)的那樣是多模耦合導致的，而更像是單模自身的非線性演化的疊加所致。解析上我們通過求解簡化模型方程，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中其實有系列不穩(wěn)定性模存在，也即有系列本征態(tài)（類似量子力學中的能級）。弱梯度的L模，最不穩(wěn)定的（也即實驗上最明顯的）是基態(tài)，對應傳統(tǒng)的氣球模結構;強梯度的H模，最不穩(wěn)定的通常是非基態(tài)，其模結構對應非常規(guī)模結構。從而L-H的轉換可能類似于能級的跳變。通過非線性的模擬，我們發(fā)

4、現(xiàn)，強梯度下帶狀流對輸運并不像一般認為的有抑制作用而是幾乎無影響。更有意思的是非線性輸運也有一個臨界梯度存在，當邊界梯度超過該值，隨著梯度的增加輸運系數反而降低，這為L-H轉換提供了一種新的微觀機制。物理本質上可能因為線性模結構的變化使得徑向關聯(lián)長度變短，從而導致輸運特性改變，比如從弱梯度下的擴散與對流并存轉為更接近于純擴散輸運。
　　完整的研究應該考慮電磁效應，但是這個領域十幾年的理論和模擬研究依然不太成功，即使是線性的頻率也還