等离子体物理学科

作者: 时间:2018-12-04 点击数:

等离子体物理学科简介

等离子体物理学科是一个与国家大科学工程紧密结合的、具有很强应用背景的学科,其处理的对象广泛,下至火焰、闪电,上至实验室聚变装置(如磁约束、惯性约束聚变装置)、太阳风、日冕都是其研究的对象。等离子体物理在国家的能源发展战略、空间研究与开发、以及在很多先进科学技术方面都占有重要的地位。

图 1 等离子体物理研究对象参数区间

1 等离子体物理研究对象参数区间


以聚变等离子体研究为例。国际热核聚变实验堆(ITER)计划是实现聚变能源利用的重要一步。这一计划要求我们探索、研究磁约束燃烧等离子体的新领域,描述等离子体复杂的集体动力学行为,在理论研究及数值计算方面对等离子体物理提出了全新的挑战、提供了广阔的发展空间。此外,跨学科领域合作已经成为聚变研究的趋势。等离子体理论及模拟专家在这一领域需要与材料物理、计算物理甚至应用数学专业展开广泛的合作。

另外,等离子体物理研究也是空间科学的前沿,是国内外很多空间开发计划的基础科学。等离子体推进技术是新一代卫星平台的主要动力支撑;材料的等离子体处理与加工是先进材料和电脑芯片生产的不可缺少的手段;在各种特殊条件下等离子体与电磁波的相互作用研究在国防、通信等领域都有着重要的应用。

等离子体物理学科是北航物理新增学科,计划开展的研究方向包括磁约束聚变等离子体物理、空间与天体等离子体物理和计算等离子体物理。上述研究中的磁流体理论与计算是北航等离子体专业的重点发展方向。


近期科研成果简介


1. 偶极场磁约束位形下的线性与非线性输运过程的全装置湍流模拟

实验室偶极场装置模仿地球磁场,能在实验室中模拟地球磁层的行为,从而研究日地空间复杂的等离子体物理过程,同时它具有良好的等离子体约束性能,可以实现高比压、稳态等离子体运行,也有望成为潜在的受控核聚变实验装置。该研究对理解实验室偶极场位形中的湍流和输运过程有重要作用,尤其还能对地球磁层中的湍流现象提供更深入细致的参考。


2 地球偶极磁场和辐射

结合偶极场等离子体实验观测结果,我们发展了在偶极场位形下的磁通管平均的理想磁流体模型以及双流体模型。基于发展的物理模型,开发了相应的用于偶极场位形实验室等离子体研究的线性本征值代码以及全局的非线性初值模拟程序。通过开发全局流体模拟代码,可以对偶极场位形实验室等离子体的多尺度湍流结构、湍流的非线性演化以及湍流引起的输运过程开展自洽模拟研究,相关研究结果已在Physical Review E以特快通讯发表。该工作得到国家自然科学基金面上项目支持。

图 3 目前国际上两个主要的实验室磁层模拟装置LDX(麻省理工学院)和RT-1(东京大学)的示意图及运行参数。

图 4 熵函数、粒子数以及电势的空间结构在线性阶段(左列),非线性早期 (中列),非线性后期(右列)。


相关论文:

Weike Ou, Lipeng Wang, Bo Li and B. N. Rogers, Turbulent pinch in whole-plasma simulations of a dipole-confined plasma, Physical Review E 101, 021201 (2020).


        2.托卡马克等离子体中的破裂缓解

        托卡马克位形是目前约束性能最好、最后可能实现聚变能源的稳态磁约束位形。但是托卡马克位形中自发或人为产生的非环对称、非线性磁流体不稳定性有可能会导致其约束性能显著的下降,甚至会引发快速、全局的约束破坏,即破裂事件。在破裂过程中,等离子体内存储的大量能量在短时间内局域地沉积在装置壁上,可能对装置的持续运行造成毁灭性的影响。因此破裂的缓解与防护是未来聚变能源能否实现的重中之重。

图 5 托卡马克装置芯部等离子体集体运动模式将大量注入粒子对流性地输入芯部的过程。


图 6 主导磁流体模式的拓扑随着注入模式不同而有相应变化。

图 7 多环向位置注入能够有效地缓解辐射功率密度的非均匀性。


利用非线性三维磁流体代码JOREK,我们对基于大量粒子注入来实现破裂中的热猝灭缓解过程进行了深入的研究。我们的研究发现,注入粒子回通过螺旋冷却的方式在有理面上解稳相应的宏观磁流体模式,而这些磁流体模式又会反过来将注入粒子输运到芯部,有效提高破裂缓解效果。这一输运过程的效果强烈地依赖于注入粒子在等离子体内沉积的位置。我们同时发现,在单一环向位置注入杂质粒子往往会导致强烈的辐射功率密度的不对称性,这一不对称性是对我们破裂缓解的实现有害的。为了避免这一现象,我们可以在多环向位置同时进行大量离子注入.数值模拟显示,这一方案能够显著提高杂质辐射功率密度的均匀性,有利于破裂中的热猝灭防护。另外,通过首先注入氢的同位素,随后注入高Z杂质的方式,我们可以在热猝灭被触发之前显著地冷却热电子长尾,这有助于热猝灭后电流猝灭过程中逃逸电子电流的抑制,为我们同时实现热猝灭缓解与电流猝灭缓解提供了新的思路。


相关论文:

1、D. Hu, E. Nardon, M. Hoelzl et al., Radiation asymmetry and MHD destabilization during the thermal quench after impurity shattered pellet injection. Nucl. Fusion 61 026015 (2021);

2、E. Nardon, D. Hu, M. Hoelzl et al., Fast plasma dilution in ITER with pure deuterium shattered pellet injection, Nucl. Fusion 60 126040 (2020);

3、M. Hoelzl, D. Hu, E. Nardon et al., First predictive simulations for deuterium shattered pellet injection in ASDEX Upgrade, Phys. Plasmas 27, 022510 (2020);

4、D. Hu, E. Nardon, M. Lehnen et al., 3D non-linear MHD simulation of the MHD response and density increase as a result of shattered pellet injection, Nucl. Fusion 58 126025 (2018).



 

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