KTX反場箍縮裝置的極向場系統(tǒng)仿真和準單螺旋態(tài)數(shù)值模擬.pdf

1、科大一環(huán)KTX(Keda Torus eXperiment)是由中國科學技術大學自主設計和建造的我國第一個用于開展反場箍縮(RFP)磁約束位形探索的大型實驗平臺。本文主要利用電路模型和RFP平衡與能量守恒原理分別對科大一環(huán)KTX進行放電模擬研究。同時利用三維電阻-粘滯MHD程序NIMROD模擬研究KTX在柱位形下的MHD不穩(wěn)定性和準單螺旋態(tài)(QSH)。
　　首先，KTX環(huán)形等離子體的徑向平衡主要由成形場線圈提供的垂直場來維持。同時

2、，由于極向場線圈，被動導體和等離子體之間的耦合效應，銅殼上感應的渦流也影響等離子體的平衡。在不考慮被動導體和平衡場線圈上輔助電源投入的情況下，建立了一個等效電路模型區(qū)分析平衡場線圈的動態(tài)性能。在此基礎上，將穩(wěn)定銅殼考慮進去，并結合雙C結構，即利用等離子體，極向場線圈與穩(wěn)定銅殼三者之間的耦合效應，進一步分析了在KTX運行過程中，被動導體上感應的渦流的時間空間分布及其產生的垂直場空間分布情況。結果表明，在KTX運行的第一階段，主動控制線圈和

3、被動導體上渦流能夠提供足夠的垂直場維持等離子體徑向平衡，之后由于殼上有限電阻造成渦流的衰減，要想維持等離子體平衡，需要在平衡場線圈上輔助電源來控制等離子體徑向平衡。
　　其次，基于RFP的平衡磁場位形和能量守恒原理建立KTX的放電運行模擬程序，再此基礎上估算在KTX裝置上實現(xiàn)PPCD驅動所需的電源參數(shù)。模擬結果表明:由于KTX縱場線圈與穩(wěn)定殼之間真空區(qū)域的磁通消耗，以及被動導體殼對縱向磁場的屏蔽效應，故在KTX縱場線圈上加載的PP

4、CD脈沖電流信號的功率要比在MST裝置來的更大，相應的對PPCD電源性能的要求也更加苛刻。RFP裝置如果在PPCD放電情況下，為了減小PPCD輔助電源的投入成本，在設計裝置時真空室要盡可能的薄，且縱場線圈要盡可能的靠近真空室。
　　最后，聚焦于當前RFP研究的熱點——準單螺旋態(tài)(QSH)，QSH態(tài)的出現(xiàn)減小了磁場漲落，提高了RFP的約束性能，尤其是在SHAx態(tài)下形成的較寬的芯部熱島和電子溫度梯度壘。本章主要利用三維電阻-粘滯完整磁

5、流體力學代碼NIMROD，探索在KTX柱幾何位形下出現(xiàn)QSH的可能性。分析了在有限比壓和有限電阻率下線性撕裂模的空間結構和擾動的基本特征。在Lundquist數(shù)S =5×104，經過初始的MH態(tài)后，等離子體逐漸過渡到QSH態(tài)。線性與非線性模擬結果對比表明，準單螺旋態(tài)的主?？赡苁怯蒻=1的線性內部共振撕裂模的不穩(wěn)定性發(fā)展而來;同時，發(fā)現(xiàn)了等離子比壓β可能影響QSH態(tài)出現(xiàn)和維持時間。在低β時，QSH態(tài)間歇性的出現(xiàn)，且無法維持;在高β時，QS