电子回旋波和低杂波电流驱动的协同效应

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托卡马克的稳态运行需要非感应电流驱动来维持等离子体电流,也需要非感应电流驱动来控制等离子体电流密度剖面以实现先进的托卡马克运行模式。除了等离子体自身产生的靴带电流外,非感应电流驱动主要有中性束注入和射频波两种方法。低杂波是射频波中电流驱动效率最高的,被广泛的应用于各个托卡马克装置上。低杂波的传播和吸收依赖于等离子体参数,其功率沉积和电流驱动的位置通常比较宽且不易控制。而电子回旋波正好相反,其功率沉积和电流驱动很局域并且容易控制,因而非常适用于等离子体电流密度剖面的控制,但是电子回旋波的电流驱动效率通常比低杂波的低很多。  由于电子回旋波和低杂波的这些互补的特性,二者经常会被结合起来用于维持等离子体电流和控制等离子体电流密度剖面等。当电子回旋波和低杂波同时使用时,二者与等离子体的相互作用会受到彼此的影响。在一定条件下,二者同时使用时的驱动电流可能会大于二者单独使用时的驱动电流之和,即有协同效应产生。协同效应可能存在于任何两种以上射频波同时注入等离子体的情况,比如在我国自行设计研制的世界上首个全超导托卡马克装置EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)上,有4MW的140GHz电子回旋波系统,和4MW的2.45GHz低杂波及6MW的4.6GHz低杂波系统。实验中不仅会出现电子回旋波和低杂波同时注入的情况,也经常会出现两支低杂波甚至三支波一起注入的情况,在这些情况下都可能会出现协同效应。协同效应可能严重影响波与等离子体的相互作用,进而影响波加热和电流驱动效率。  目前电子回旋波和低杂波协同效应的研究,主要集中于双波驱动中电子回旋波的电流驱动效率受到的影响;而对严重影响电子回旋波电流驱动效率的捕获电子效应,没有进行深入的研究。两支低杂波和三支波之间的协同效应也还没有被系统的研究过。  本文首先研究了捕获电子效应对电子回旋波和低杂波协同效应的影响。然后研究了两支低杂波之间的协同效应。最后研究了电子回旋波和两支低杂波的协同效应。  为了研究捕获电子效应对电子回旋波和低杂波协同效应的影响,本文数值求解了不同捕获角时,包含电子回旋波和低杂波准线性扩散项的福克-普朗克方程。对结果的分析发现,随着捕获角的增大,双波协同驱动电流会减小,且协同因子也会明显减小;说明捕获角对两支波协同驱动电流的影响要比其对单独驱动电流的影响更大。进一步的研究发现通过加宽低杂波共振区可减弱捕获对电子回旋波电流驱动的不利影响;同时发现二支波协同时,随着电子回旋波功率的增加,捕获角对电子回旋波电流驱动的影响也会减小。  为了理解两支低杂波之间的协同效应,本文解析求解了包含两支低杂波的准线性扩散系数的福克-普朗克方程。得到的解析结果与二维福克-普朗克程序的数值解符合的比较好。然后由分布函数的解析解,得到了协同因子的解析表达式。两支低杂波的协同效应体现在两个方面:一方面,被低平行相速低杂波加速的电子可能会散射到高平行相速低杂波的共振区,使得其共振电子数增加进而驱动更多的电流;另一方面,高平行相速的低杂波能进一步提高垂直方向等效温度,进而增强低平行相速低杂波的驱动电流。基于解析解的进一步研究表明,协同因子最敏感的参数是两个低杂波共振区的相对距离,并随着这个距离的增大而迅速减小。  为研究电子回旋波和两支低杂波的协同效应,本文数值求解了包含三支波引起的速度空间扩散的福克-普朗克方程。结果显示在一定条件下三支波之间会有很强的协同效应。被电子回旋波加速的电子有一部分会散射到低杂波共振区,为两支低杂波提供更多的共振电子;而低杂波共振区内的电子也可能被散射到电子回旋波的共振区,提升电子回旋波的电流驱动效率。当低杂波共振区固定时,协同效应与电子回旋波的共振区位置和功率有关。  本文系统地研究了电子回旋波和两个频率的低杂波之间存在的各种协同效应,分析了协同效应的产生机制,展示了协同过程的物理图像,并研究了协同效应的参数依赖关系。研究过程和结果有利于加深对各个协同效应的理解;关于两支低杂波的解析结果可以用于快速分析两支低杂波的协同效应。
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