极化屏蔽的非线性回旋动理学和反弹动理学描述

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可控核聚变有望解决人类的能源问题,获得高温等离子体并将其约束足够长时间是实现可控核聚变的关键。托卡马克是一种磁约束聚变(MCF)装置,理解和预测托卡马克等离子体中的微观湍流和反常输运对于改善装置的约束性能使其达到高约束运行模式,从而最终实现聚变反应堆商业化至关重要。因此,微观湍流和反常输运是当前磁约束聚变研究中的热点课题之一。我们针对与之有关的以下几个问题展开研究。   约化动理学为研究托卡马克等离子体中的低频微观湍流和输运提供了理论基础。在环形几何磁场位形和静电扰动情况下,我们采用相空间拉格朗日量Lie-变换微扰方法系统地推导了回旋中心有极化漂移的非线性回旋动理学方程。通过在微扰回旋相空间拉格朗日量的辛结构部分引入扰动的E×B速度,我们定义了不同于标准回旋动理学的回旋中心位置坐标,从而使回旋中心的运动方程中明显包含极化漂移。不同的回旋中心位置坐标导致从粒子相空间到回旋中心相空间变换的雅可比行列式发生变化,进而影响回旋泊松方程中的极化密度。与通常的观点不同,我们发现在回旋中心运动方程中包含极化漂移并不会给极化密度带来严重影响,从而阐明了极化密度和极化漂移之间的关系。   用反弹动理学方法我们推导了任意径向波数范围内新经典极化屏蔽的一般表达式。通过保留微扰拉格朗日量中的有限拉莫半径(FLR)效应,我们的新经典极化屏蔽表达式中既包含有限轨道宽度(FOW)效应也包含FLR效应。将该表达式应用于研究剩余带状流,我们把长波极限下的Rosenbluth-Hinton(R-H)剩余带状流解析地推广到任意径向波长范围。我们的解析结果在整个参数范围内与数值结果都符合得很好。我们还研究了同位素效应对剩余带状流的影响,发现D等离子体中的剩余带状流在相对小尺度径向波长范围比H等离子体中的剩余带状流强。这为实验上观测到的低密度欧姆加热等离子体中约束性能的同位素依赖关系提供一个可能的理论解释。   采用新经典极化屏蔽的一般表达式,我们推广了现有的基于R-H新经典极化屏蔽公式(在长波极限下有效)的带状流产生理论。通过波动理学方法,我们得到了无碰撞捕获电子模(CTEM)湍流中的相对小尺度带状流,并且发现它与最近CTEM回旋模拟得到的带状流尺度相当。我们还计算了CTEM湍流中带状流的增长率与等离子体参数的依赖关系,所得结果与回旋模拟的结果定性上基本一致。通过平衡CTEM的线性增长率和带状流的增长率,我们还对CTEM湍流的饱和幅度给出一个粗略的估计。最后,我们还分析了波动理学方法在小尺度带状流产生理论中的局限性。
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