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低杂波电流驱动是目前最高效的非感应电流驱动方式之一,对于聚变装置的高参数稳态运行有重要作用。因此基于数值模拟对低杂波电流驱动效率进行优化研究、以及发展兼顾计算效率和准确性的模拟代码具有重要的实际意义。 本论文包含两部分内容:第一部分利用射线追踪法低杂波模拟代码(LSC)对低杂波电流驱动进行了模拟研究,研究了等离子体截面形状对低杂波电流驱动效率的影响、并探讨了两支低杂波同时注入时电流驱动的协同效应;第二部分发展了射线追踪—全波混合方法的低杂波模拟代码,对低杂波在等离子体中的传播进行了初步模拟。 论文研究表明等离子体截面形状的改变可以强烈影响低杂波电流驱动效率,其主要机制是通过截面形状的变化而改变等磁通面之间的面积元(体积元在截面的投影)大小以及磁轴距等离子体边缘的长度,进而影响低杂波从等离子体边缘到芯部之间的能量沉积。在EAST装置参数下,模拟给出的低杂波电流驱动效率最优的等离子体形状区域为(δ=0,1.3<κ<1.7)以及(δ≥0.4,1.6<κ<2.0)。 当两支低杂波同时注入等离子体时,两支低杂波之中平行相速度较慢的波激发的共振电子可以提供给较快的波更多的接近共振电子,因此双低杂波的协同效应得以产生。研究发现两支波的共振平台紧邻且不重叠时协同效应达到最大效果。在低杂波单次或少数几次通过等离子体截面时,平行折射率N‖上移很少,电子温度和密度对协同作用的影响依赖于朗道阻尼作用区间及其相对位置△N‖;而在低杂波多次通过等离子体截面时,协同作用对N‖的依赖被减弱,协同作用发生在快支波或慢支波不能被完全吸收的情况下,即较低电子温度或较高粒子密度时。因此,低杂波的双波协同效应可以被用来降低低杂波高效能量沉积中关于电子温度和密度的要求。对于EAST装置,现有的两支低杂波(fLHW1=2.45GHz,fLHW2=4.6GHz,N‖LHW1=2.0,N‖LHW2=2.2~4.0)可以在电子温度<0.3 keV或粒子密度-(n)e=1×1019~4×1019m-3参数范围内取得电流驱动的良好协同效应。 论文还在发展射线追踪—全波混合法模拟低杂波传播上进行了初步尝试。利用低杂波准静电波的特征及其在平行和垂直磁场方向特征尺度的明显差异,我们将低杂波波方程简化为沿磁力线传播的全波方程和垂直磁力线方向的射线追踪方法,并利用简化后的波方程发展了圆截面托卡马克等离子体中低杂波传播的模拟程序,进行了初步的数值模拟尝试。模拟结果与传统射线追踪法得到的轨迹结果吻合,但又保留了全波法中波束自聚焦的特征;同时混合法数值模拟相对于全波法大大减少了数值模拟所需的计算时间和计算资源,在将来有可能实现即快速又准确的低杂波传播的数值模拟。