電漿參數對低混雜頻段慢波-快波模式轉換的影響

《電漿參數對低混雜頻段慢波-快波模式轉換的影響》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由賈國章擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：電漿參數對低混雜頻段慢波-快波模式轉換的影響
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：賈國章
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

低雜波電流驅動（LHCD）是托卡馬克上非感應電流驅動的重要手段之一。耦合進電漿中的準靜電慢波在向高密度區域傳播的過程中，由於環效應可能會引起可近性條件不成立，從而全部或部分轉換為電磁性快波，快波對電流驅動貢獻較小，因此慢波-快波轉換會影響低雜波功率沉積和電流驅動的剖面和效率。電漿中線性模轉換的理論大都基於一維模型和緩變的參數剖面，然而對於較陡的電漿參數（比如密度）剖面，例如進入高約束模式（H模）或形成內部輸運壘，入射波經過這些區域時，轉換過程會出現新的特徵，特別是出現顯著的反射波（即與入射波波型相同），這會改變低雜波功率的傳播和吸收過程。本項目擬構建更精確的慢波-快波轉換模型（包含二維效應，漲落效應，有限溫度效應等），分析電漿參數剖面對轉換係數、入射波功率流向的影響，將模型與射線追蹤程式結合，研究參數剖面陡化後快-慢波轉換對LHCD效率的影響。

結題摘要

低雜波（慢波分支）具有相對較高的電流驅動效率，是托卡馬克中常用且重要的輔助加熱、電流驅動手段之一，而實際放電實驗中常遇到耦合效率、可近性、非線性過程引起的附加吸收等問題。本課題旨在分析托卡馬克電漿參數下，影響低雜波傳播、功率吸收和電流驅動效率的因素，包括在模轉換層發生的慢波分支與快波分支之間的轉換，高功率下非線性閾值、波與電漿之間的非線性相互作用，不同波之間的協同等。研究內容主要包括構建描述慢波-快波轉換的動理學模型並求解，包含磁場不均勻性、磁剪下、入射角度、有限溫度效應等影響因素；包含反射分量的慢波-快波轉換效率的解析表達式推導；將所建立的簡化動理學模型套用於電子迴旋頻段，分析高密度電漿中電子伯恩斯坦波的激發；慢波-快波轉換的粒子模擬，分析邊頻波、二次諧波等非線性過程對該轉換過程的影響；高功率情況下，存在多支波時對功率吸收的影響，波與電漿非線性相互作用過程，相空間研究兩支低雜波的協同作用。在課題的支持下，完成了描述低混雜頻段慢波-快波轉換的簡化動理學模型的構建和求解，並用粒子模擬程式給予驗證，發現在低波幅情況下符合的很好，在目前實驗參數對應的高波幅下，模擬得到的轉換係數低於我們模型的結果，這主要是由於非線性過程導致邊頻波和二次諧波的激發，產生了新的能量通道，進一步分析發現非線性的閾值正比於頻率的二次方，這與實驗觀測是一致的：EAST低雜波電流驅動實驗中觀測到4.6GHz低雜波譜展寬比2.45GHz有明顯的改善。推導得到了慢波-快波轉換係數的解析表達式，可以方便的套用於射線追蹤程式中。課題組研究了同時存在兩支或更多支波時，從相空間研究了共振粒子的輸運，分析由此產生的波的非線性演化（即對單支波非線性朗道阻尼過程的修正）和多波協同，以及協同對電流驅動效率的影響，研究結果有助於理解波加熱和電流驅動實驗現象以及模擬中電流驅動效率的準確計算。