球位形下旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動Rotamak等離子體電流的理論分析.pdf

1、Rotamak是一種緊湊的球形等離子體磁約束裝置，它與傳統(tǒng)的Tokamak磁約束裝置不同。Tokamak中的等離子體電流是由歐姆脈沖放電獲得的，而Rotamak中的等離子體電流是由旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動的。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場的頻率滿足ωci＜＜ω＜＜ωce時(shí)，離子被認(rèn)為是靜止的本底，電子被旋轉(zhuǎn)磁場捕獲隨其以相同的頻率旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生等離子體電流。 目前在研究旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動等離子體電流的理論中幾乎均采用直柱近似。柱坐標(biāo)下雖然簡化了分析和計(jì)算，但實(shí)際的裝

2、置不能是無限長的直柱，球形位形可能產(chǎn)生的非線性效應(yīng)也因此得不到認(rèn)識。因此有必要在球坐標(biāo)下對 Rotamak中旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動等離子體電流的基礎(chǔ)過程進(jìn)行分析，在真實(shí)位形下研究旋轉(zhuǎn)磁場的滲透過程、電流驅(qū)動效率、磁場位形結(jié)構(gòu)等。 本論文從麥克斯韋方程組和歐姆定律方程出發(fā)，利用球位形的對稱性和磁場的散度等于零的特點(diǎn)，將磁場在矢量球函數(shù)下進(jìn)行展開，并得到了各分量的方程，再利用 Crank-Nicolson有限差分方法編程計(jì)算了無縱場情況下的磁

3、場方程，最后分析了球形位形下旋轉(zhuǎn)磁場的滲透過程、電流驅(qū)動效率、磁場位形結(jié)構(gòu)等。 計(jì)算表明旋轉(zhuǎn)磁場與等離子體作用過程中，有一個(gè)由邊緣向中間的滲透過程，滲透時(shí)間在采用的計(jì)算參數(shù)下約為0.5個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場振蕩周期，對應(yīng)其驅(qū)動的等離子體電流由邊緣向中心不斷發(fā)展。當(dāng)無外加垂直場時(shí)，電流驅(qū)動效率呈現(xiàn)開始階段的快速上升、中間階段的緩慢上升到最后趨于飽和的過程。當(dāng)有外加垂直場時(shí)，電流驅(qū)動效率存在下降的過程。分析表明，外加垂直場能有效提高電流驅(qū)動效率

4、。 計(jì)算還顯示在球形位形下，旋轉(zhuǎn)磁場與等離子體相互作用，除了產(chǎn)生等離子體電流外，還產(chǎn)生了在 Rotamak中左右兩個(gè)半球方向相反，大小相等的縱向磁場。當(dāng)無外加垂直場時(shí)，自產(chǎn)生縱場的最大值約為外加旋轉(zhuǎn)磁場的2％。當(dāng)有外加垂直場時(shí)，自產(chǎn)生縱場的最大值約為外加旋轉(zhuǎn)磁場的4％。此磁場在開始的旋轉(zhuǎn)磁場滲透階段，為不但左右兩個(gè)半球方向上反向，同時(shí)在徑向上也相反的四極縱場。當(dāng)驅(qū)動電流飽和后，縱場也穩(wěn)定為雙向雙極場。我們的計(jì)算結(jié)果很好的再現(xiàn)了在