磁剪下和磁環形曲率在非局域電子熱輸運中的作用

《磁剪下和磁環形曲率在非局域電子熱輸運中的作用》是依託核工業西南物理研究院，由王占輝擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：磁剪下和磁環形曲率在非局域電子熱輸運中的作用
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王占輝
• 依託單位：核工業西南物理研究院

項目摘要

近十多年來，在國內外一些中、大型托卡馬克裝置上的邊緣調製實驗中，都觀察到一些非局域電子熱輸運的現象：例如在邊緣電漿注入雜質、彈丸或超聲分子束等引起邊緣電子溫度降低的瞬間，芯部電子溫度卻突然升高的現象；邊緣電子迴旋共振加熱、中性束注入等引起瞬間芯部電子溫度和全空間電子溫度同時升高的現象。這些非局域熱輸運現象的時間尺度遠小於局域熱輸運所遵循的迴旋玻姆定標律的熱擴散時間尺度，被認為是一種反常電子熱輸運。為了解釋這些實驗現象，人們提出了若干理論模型；但它們都未包含磁剪下和磁環形曲率效應。本項目擬建立一個包含這兩個效應的非局域電子熱輸運模型，來數值模擬研究這種輸運過程，並著重考察這兩個效應在該輸運過程中的作用。與此同時，對比研究冷脈衝和熱脈衝所分別引起的非局域熱輸運現象，尋找其中共同的物理機制；並模擬HL-2A上已有的和即將開展的非局域輸運實驗和分析國內外一些托卡馬克裝置上的相關實驗結果。

結題摘要

近十多年來，在國內外一些中、大型托卡馬克裝置上的邊緣調製實驗中，都觀察到一些非局域電子熱輸運的現象：例如在邊緣電漿注入雜質、彈丸或超聲分子束等（冷脈衝）引起邊緣電子溫度降低的瞬間，芯部電子溫度卻突然升高的現象；邊緣電子迴旋共振加熱等（熱脈衝）引起瞬間芯部電子溫度和全空間電子溫度同時升高的現象。這些非局域熱輸運現象被認為是一種反常電子熱輸運。為了解釋這些實驗現象，人們提出了若干理論模型；但它們都未包含磁剪下和磁環形曲率效應。本項目綜合對比研究了磁剪下和磁環形曲率效應在冷脈衝和熱脈衝所分別引起的非局域熱輸運過程中的作用，並取得了一些重要的進展和突破： （1）在理論模擬方面：建立了一個含有磁剪下效應和磁環形曲率效應的雙場自組織臨界（SOC）非局域輸運理論模型，研究了磁剪下對反常電子熱輸運和改善約束的作用；並對SOC模型進行改進，建立了多場非局域輸運理論模型，進一步考慮了離子溫度梯度（ITG）湍流和捕獲電子模（TEM）湍流輸運，添加了湍流強度增長對密度梯度的依賴關係和磁剪下效應；建立了一個新的三維輸運理論模型來模擬三維冷脈衝超聲分子束注入（SMBI）或噴氣（GP）以及熱脈衝電子迴旋共振加熱（ECRH）注入，並開發了相應的大型並行trans-neut程式代碼；綜合數值模擬對比了冷熱脈衝注入所引起的非局域輸運現象，並發現了這兩種非局域輸運現象的一些共同特徵。 （2）在實驗方面：在HL-2A上研究了冷脈衝引起的非局域輸運過程中的自組織臨界特性、雪崩現象、磁擾動抑制現象、湍流強度及極向流剪下的變化等；在HL-2A上同時對比研究了冷脈衝和ECRH加熱引起的熱脈衝非局域輸運現象；在J-TEXT托卡馬克裝置上發現外加共振磁擾動（RMP）更夠有效地增強非局域輸運現象。 （3）在模擬與實驗對照方面：對比研究了反磁剪下與內部輸運壘的作用，並討論了磁環形曲率對反常輸運係數的作用；對比研究了冷脈衝引起的非局域熱輸運以衝擊波前向內傳播過程中的自組織臨界（SOC）現象；在真實磁場HL-2A托卡馬克磁場位形下，採用真實的實驗診斷剖面和參數，數值模擬與實驗對照研究了冷脈衝超聲分子束注入引起的電漿輸運及平衡剖面的演化，發現二者吻合得較好。 這些研究結果不僅有助於理解非局域輸運過程，而且對於降低反常輸運，實現聚變電漿的高約束性能具有重要意義。