HL-2A芯部等離子體ITG模和TE模增長率研究

王 亮，李新霞,2,*，龔學余

(1.南華大學 核科學技術(shù)學院，湖南 衡陽 421001；2.中國科學院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031)

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HL-2A芯部等離子體ITG模和TE模增長率研究

王 亮1，李新霞1,2,*，龔學余1

(1.南華大學 核科學技術(shù)學院，湖南 衡陽 421001；2.中國科學院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031)

本文基于雙流體模型，通過理論分析獲得了芯部離子溫度梯度(ITG)模和俘獲電子(TE)模的色散關(guān)系。在Weiland模型的基礎(chǔ)上，考慮了離子平行方向速度和TE的影響，計算了碰撞對ITG模和TE模增長率的影響。對HL-2A等離子體的計算結(jié)果表明，芯部等離子體的ITG模和TE模增長率與擾動波數(shù)密切相關(guān)，磁剪切對ITG模有明顯的抑制作用。

等離子體；增長率；離子溫度梯度模；俘獲電子模

等離子體輸運過程直接決定了托卡馬克磁約束聚變裝置的約束性能。對等離子體離子和電子異常大輸運系數(shù)的實驗測量結(jié)果表明，等離子體中粒子輸運是一種反常輸運，這種反常輸運與等離子體中的各種微觀不穩(wěn)定性密切相關(guān)[1]。粒子溫度和密度梯度引起的漂移波是導致等離子體反常輸運的重要因素[2]。文獻[2]給出了漂移波湍流模型下等離子體中存在的各種擾動模式，從擾動波長來看，主要有離子溫度梯度(ITG)模、俘獲電子(TE)模和電子溫度梯度(ETG)模等。其中，芯部等離子體湍流主要由ITG模和TE模驅(qū)動；邊緣區(qū)域湍流則主要由漂移阿爾芬模[3]和氣球模[4]驅(qū)動。

1 物理模型

1.1 基本方程

采用雙流體模型，離子的連續(xù)性方程(粒子數(shù)守恒)為：

(1)

平行磁場方向動量方程為：

(2)

能量方程為：

(3)

(4)

在托卡馬克中，電子可分為俘獲電子和通行電子兩部分。對于俘獲電子，反彈平均后的平行磁場方向的速度為零，其密度net和溫度Tet可由連續(xù)性方程和能量守恒方程[10]給出：

(5)

(6)

對于通行電子，在平行磁場方向的動量方程中，當忽略慣性力和熱力學力時，此時電子的壓強梯度力和電場力平衡，則：

(7)

1.2 ITG模和TE模色散方程

考慮堆芯等離子體湍流輸運典型的ITG模和TE模，湍流尺度設(shè)定為0

(8)

對俘獲電子，由式(5)、(6)可得：

(9)

對通行電子，由于其平行磁場方向高的熱導率，故溫度擾動可忽略不計，此時由玻爾茲曼關(guān)系和式(7)，有：

(10)

此外，準中性條件滿足：

(11)

將式(8)、(9)、(10)代入式(11)中，則ITG模和TE模色散關(guān)系可表示為：

(12)

式中，ft為俘獲電子的份額。

式(12)是關(guān)于ky和w的多項式。其中，w=wr+iγ，wr為漂移波的頻率，γ為阻尼，當γ<0時，漂移波隨時間衰減；當γ>0時，漂移波隨時間增長。計算中，取增長率最大的模，當γ>0時，若wr<0，γ為ITG模的增長率；若wr>0，則γ為TE模的增長率。

2 結(jié)果和討論

2.1 HL-2A中ITG模和TE模的增長率

采用HL-2A典型放電參數(shù)，等離子體密度和溫度分布為：

(13)

(14)

安全因子分布剖面為：

(15)

其中：Te,H、ne,H分別為電子與離子的溫度和密度；Te,H_0、Te,H_a、ne,H_0、ne,H_a分別為電子(離子)在中心與邊緣的溫度、密度；q0、qa分別為安全因子在中心和邊緣的值；a為托卡馬克小半徑；r為徑向位置。

圖1為HL-2A參數(shù)下ITG模和TE模的歸一化增長率γ/ωDe(ωDe為電子抗磁漂移頻率)隨歸一化半徑ρ=r/a的變化情況，并與MMM95的結(jié)果進行對比。計算參數(shù)分別為Te_0=3 keV，Te_a=0.4 keV，TH_0=2 keV，TH_a=0.3 keV，ne,H_0=5×1019m-3，ne,H_a=0.6×1019m-3，q0=1，qa=3，R=1.65 m，a=0.4 m，B=2.8 T。MMM95計算的是kyρSH=0.316時ITG模和TE模的增長率，本文則考慮了00.3時，偏離開始顯現(xiàn)。圖1的計算結(jié)果表明，HL-2A參數(shù)下ITG模和TE模增長率與等離子體擾動波數(shù)kyρSH密切相關(guān)。

圖1 ITG模(a)和TE模(b)最大增長率徑向分布Fig.1 Radial distribution of maximum growth rate for ITG (a) and TE (b) modes

2.2 溫度梯度對ITG模和TE模的影響

2.3 碰撞對ITG模和TE模的影響

圖3為碰撞對ITG模和TE模增長率的影響?？煽闯觯鲎矊TG模增長率影響不大；而使TE模增長率增加，且TE模峰值所對應(yīng)的波數(shù)也會變大。這是由于碰撞使一部分通行電子變成俘獲電子，增加了俘獲電子的份額，促進了TE模發(fā)展。

2.4 磁剪切對ITG模和TE模的影響

圖4為磁剪切s對ITG模和TE模增長率的影響?？煽闯?，s對ITG模有強的抑制作用，增長率γ隨s的增大迅速減小，峰值點也隨s的增大逐漸減小。對于TE模，γ的峰值點幾乎與磁剪切無關(guān)。這說明，磁剪切可抑制HL-2A芯部等離子體ITG模增長，提高HL-2A芯部的約束性能。

圖2 不同gTH、gTe下ITG模(a)、TE模(b)波數(shù)與增長率的關(guān)系Fig.2 Relation between wave number and growth rate of ITG (a) and TE (b) modes in different gTH and gTe

圖3 有無碰撞下ITG模(a)、TE模(b)波數(shù)與增長率的關(guān)系Fig.3 Relation between wave number and growth rate of ITG (a) and TE (b) modes with and without collisions

圖4 不同s下ITG模(a)、TE模(b)波數(shù)與增長率的關(guān)系Fig.4 Relation between wave number and growth rate of ITG (a) and TE (b) modes in different s

3 結(jié)論

本文從雙流體模型出發(fā)，得到了芯部ITG模和TE模的色散關(guān)系。在Weiland模型的基礎(chǔ)上，考慮離子平行方向速度和俘獲電子影響時，在HL-2A參數(shù)下計算了碰撞對ITG模和TE模增長率的影響。結(jié)果表明，碰撞對ITG模影響不大，但會促進TE模的發(fā)展。ITG模和TE模增長率與擾動波數(shù)密切相關(guān)。此外，本文還分析了歸一化溫度梯度及磁剪切對ITG模和TE模的影響，當gnH>2.8時，ITG模則被激發(fā)；當gne=2時，TE模在0

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Study on Growth Rate of ITG and TE Modes in HL-2A Core Plasma

WANG Liang1, LI Xin-xia1,2,*, GONG Xue-yu1

(1.SchoolofNuclearScienceandTechnology,UniversityofSouthChina,Hengyang421001,China;2.InstituteofPlasmaPhysics,ChineseAcademyofSciences,Hefei230031,China)

Based on the two-fluid model, the dispersion relation of ion temperature gradient (ITG) mode and trapped electron (TE) mode was analyzed theoretically. Based on Weiland model, the effect of collision on the growth rate of ITG mode and TE mode was studied with the consideration of ion parallel velocity and TE. The calculation result based on HL-2A shows that the growth rate of ITG and TE modes in core plasma is closely related to perturbed wave number. Moreover, the growth rate of ITG mode is proved to decrease in the presence of magnetic shear.

plasma; growth rate; ion temperature gradient mode; trapped electron mode

2014-02-14;

2014-08-08

國家自然科學基金資助項目(11347002，11375085)；湖南省教育廳優(yōu)秀青年基金資助項目(12B107)

王 亮(1988—)，男，湖南衡陽人，碩士研究生，核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)

*通信作者：李新霞，E-mail: leexinxia@126.com

TL612.2

A

1000-6931(2015)06-0961-05

10.7538/yzk.2015.49.06.0961