EAST边界密度涨落对低杂波影响的数值模拟研究

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低杂波电流驱动(LHCD)是目前托卡马克的主要辅助加热与驱动方式之一,被广泛地运用到各大装置上。随着装置的运行参数不断提高,更高的等离子体电子密度和温度会对低杂波驱动能力有较大的影响,特别是在刮削层中,低杂波与等离子体的非线性效应会很明显改变低杂波的电流驱动效率,包括参量衰变、碰撞吸收以及低频电子密度涨落引起的波散射等。目前,参量衰变和碰撞吸收的研究表明,参量衰变会使低杂波的频谱发生较大的展宽并且会降低LHCD效率,刮削层(SOL)中较高的电子温度可以显著减轻低杂波频谱的展宽;在边界密度较高、温度较低时,边界碰撞吸收的份额会明显提升,因此降低边界密度和提高边界温度能够有效地减少碰撞吸收损失。然而低频电子密度涨落引起的波散射对LHCD的影响以及主导因素尚未明确,可能的主要原因是边缘的密度涨落引起刮削层内的波谱变化,从而改变功率沉积和驱动电流的分布。因此,本文将重点对边缘低频电子密度涨落引起的波散射对低杂波的影响开展数值模拟研究,并分析由此导致的电流驱动特性,旨在为开展和分析高密度下低杂波电流驱动实验提供有力的理论工具,为进一步探索低杂波在未来聚变堆的应用打下基础。基于光程函数和Bonoli-Ott散射理论,并结合Runge-Kutta方法以及Monte-Carlo 方法,自主开发了 LHscattering 程序,并对其 Wentzel-Kramers-Brillouin(WKB)近似、射线轨迹以及散射模型进行了验证。通过LHscattering程序重点分析了低频电子密度涨落引起的波散射对低杂波波谱的具体影响过程,并根据最外闭合磁面(LCFS)处形成的低杂波波谱,分析了波散射对LHCD的影响,结果发现波散射能够明显的改变LCFS低杂波平行折射率(N‖)和极向折射率(Nθ)的分布。由于密度涨落的频率远小于低杂波频率,并且平行磁场方向波数远小于低杂波的平行磁场方向波数(k‖),而垂直磁场方向波数与低杂波垂直波数相当,故单次散射过程中不会改变低杂波的频率和N‖,而会改变低杂波垂直磁场方向波数。根据波-波相互作用,由于密度涨落的原因,从天线端口入射的低杂波垂直磁场波数会发生一定角度的偏转,进而导致低杂波射线轨迹的变化,从而进一步改变低杂波的N‖和Nθ。研究表明,Nθ的展宽能明显改变低杂波的功率沉积位置和驱动效果。使用LHscattering程序,重点研究了不同参数对局域位置的散射概率和散射角概率分布,并分析了其与LCFS处低杂波N‖和Nθ的概率分布之间的差异与联系。分析表明,局域位置的散射角概率分布受到几何近似项和E×B漂移项的综合影响,在低频、小初始N‖、高LCFS处密度、高密度涨落水平以及小密度涨落相干长度下,几何近似项和E ×B漂移项的振幅和占比能明显地影响单次散射的散射概率和散射角概率分布。此外,低杂波参数和等离子体参数明显展宽LCFS处N‖和Nθ概率分布,其中低杂波的频率、极向注入位置、初始N‖、LCFS处密度以及密度涨落相干长度主要影响Nθ概率分布;天线端口处的参数改变更多地影响了LCFS处N‖分布。
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