EAST电子回旋波加热和电流驱动数值模拟研究

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电子回旋共振加热和电流驱动(ECRH/ECCD)是聚变装置中有效进行等离子体辅助加热和非感应电流驱动的重要方法之一。它具有耦合效率高、局域性好、调节灵活等诸多优点,有潜力提供芯部和离轴区域足够的电流驱动能力,是等离子体电流剖面控制、磁流体不稳定性控制、热输运和粒子输运研究的重要手段。  本文首先系统地介绍了电子回旋波加热和电流驱动的理论和实验研究。给出电子回旋波在等离子体中的传播、吸收理论、共振条件和波迹方程,讨论了ECRH和ECCD的物理机制及ECCD和LHCD双波协同机制,然后给出本论文开展模拟计算用到的TORAY、REMA、C3PO/LUKE和CRONOS等程序介绍以及电子回旋波在托卡马克装置上改善约束、控制MHD以及双波协同等主要实验进展。  接下来围绕着指导系统技术参数选择、为天线设计提供理论依据和为即将开展的电子回旋相关物理实验提供物理指导和模拟预测等目标,详细介绍了在EAST上开展的ECRH和ECCD相关的数值模拟计算。主要做了以下几个方面的工作:(1)利用射线追踪程序TORAY开展了EAST装置电子回旋波的耦合、传播、吸收及电流驱动的数值模拟和分析。通过计算确定了EAST ECRH系统的一些主要运行参数,包括波频率、共振层位置、纵场的运行范围、截止密度以及进行不同实验研究时波束入射的最佳入射角范围等。(2)根据TORAY程序,从电子回旋波的传播轨迹、功率吸收、沉积位置和电流驱动等几个方面优化了ECRH天线的物理设计,给出天线发射端口的最佳径向位置、水平高度以及天线平面镜在极向和环向转动角度的调节范围。(3)利用TORAY程序计算分析了在不同等离子体和波参数条件下EC波在等离子体中的传播轨迹、功率吸收系数、功率沉秋位置、电流分布宽度以及电流驱动效率等,为ECCD实验提供理论依据。(4)利用CRONOS程序中REMA模块的ECCD计算结果与Toray程序计算结果做比较,互相验证。结果表明,在相同参数下两个程序的计算结果基本一致,从而提高了模拟结果的可信度。(5)利用输运程序CRONOS,结合EAST放电参数,模拟预测了不同等离子体和波参数下电子回旋波的加热效果,为ECRH实验提供参考依据。(6)利用CRONOS程序中的C3PO/LUKE模块,初步预测了EAST参数下电子回旋波与低杂波双波协同的驱动效果,为下一步在EAST上开展双波协同实验奠定理论基础。(7)结合模拟计算结果,提出在EAST装置上开展电子回旋加热、电流驱动和双波协同等相关物理实验的方案预想。
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