近期,等離子體所理論與數(shù)值模擬研究室在托卡馬克中雜質(zhì)密度內(nèi)外非對稱分布物理機制研究中取得進展,潘成康副研究員等人提出了托卡馬克中科里奧利力效應(yīng)會導(dǎo)致雜質(zhì)離子向高場側(cè)聚集(內(nèi)-外不對稱)的物理機制,相關(guān)研究成果以“In-Out impurity density asymmetry due to the Coriolis force in a rotating tokamak plasma”為題發(fā)表在核聚變領(lǐng)域頂級期刊Nuclear Fusion上。
托卡馬克中雜質(zhì)聚芯會導(dǎo)致聚變?nèi)剂舷♂屢约拜椛淠芰繐p失,對等離子體約束和性能產(chǎn)生很大的影響。因此,抑制雜質(zhì)聚芯對現(xiàn)運行的托卡馬克裝置和未來磁約束聚變堆(比如ITER、CFETR)實現(xiàn)長脈沖高約束穩(wěn)態(tài)運行至關(guān)重要。托卡馬克實驗、理論以及數(shù)值模擬都表明雜質(zhì)離子密度在磁面上的內(nèi)(強場側(cè))外(弱場側(cè))非對稱分布對雜質(zhì)的徑向輸運有很大的影響,從而影響雜質(zhì)聚芯。但雜質(zhì)離子密度極向非對稱分布形成的物理機制并未完全搞清楚,現(xiàn)有的理論模型都不能完全解釋托卡馬克實驗中觀察到的現(xiàn)象,尤其是內(nèi)-外非對稱分布的現(xiàn)象。
在托卡馬克中等離子體轉(zhuǎn)動現(xiàn)象普遍存在,雜質(zhì)離子的環(huán)向與極向轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生科里奧利力效應(yīng),科里奧利力效應(yīng)與磁力線的螺旋性會對雜質(zhì)離子密度在磁面上的極向分布產(chǎn)生很大的影響,會導(dǎo)致雜質(zhì)離子密度在磁面上的內(nèi)-外或外-內(nèi)非對稱分布。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)雜質(zhì)離子沿著磁力線從低場側(cè)向高場側(cè)運動時受到正的科里奧利力時會導(dǎo)致雜質(zhì)離子向高場側(cè)聚集,即形成雜質(zhì)離子密度內(nèi)-外非對稱分布,如圖一所示。另外主離子密度也會由于科里奧利力效應(yīng)在磁面上形成內(nèi)外非對稱分布,為了保持準(zhǔn)中性而產(chǎn)生極向電場,這個極向電場也會對雜質(zhì)離子密度在磁面上的分布產(chǎn)生很大的影響。提出的理論模型能夠很好地解釋ASDEX Upgrade裝置上的實驗現(xiàn)象,為通過外部手段(控制等離子體轉(zhuǎn)動)控制雜質(zhì)聚芯提供了理論基礎(chǔ)。
相關(guān)研究得到了國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項和國家自然科學(xué)基金項目的資助。
論文鏈接:http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/aadaf3
圖1.物理機制示意圖:(a)
,(b)
圖2. 基于理論模型的數(shù)值計算