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69环形磁场的新经典扩散
■输运过程经典理论,其基础是碰撞十分频繁,碰撞频
率远大于其它特征频率,平均自由程远小于系统内的
其它特征长度,可以应用磁流体力学方法处理等离子
体中的输运过程
■经典输运理论应用于环形磁场装置,结果与实验结果
相差甚远,经典理论输运系数比环形装置实验测量结
果要小几个量级
理论分析产生问题原因:主要是在环形装置中粒子运
动轨道效应对输运系数有很大影响。这种考虑了等离
子体环形效应的经典输运理论称新经典输运理论。
经典扩散:(第4章磁流体力学和双极扩散系数)
B
(1+T/T)=D4(1+7/7)
B
eBlm
ce
现在称D4为经典扩散系数,其中v为电子特征热
速度,le就是特征热速度相应的电子回旋半径。
经典扩散系数解释:电子每经历一次碰撞在垂直磁
场方向无规地移动一个电子回旋半径(步长)
扩散系数:碰撞频率乘步长平方。
只适用于平直磁场情况
考虑粒子在环形磁场中运动轨道的影响
托卡马克装置中粒子的轨道运动。由于环向磁场
Bo=B(1-ccosO)errOi)
环形磁力线旋转变换,磁场:外侧弱,内侧强,
粒子在磁面上沿一根磁力线运行时感受到磁场强
弱变化,相当于磁镜场结构。因此粒子运动可分
为两类
通行粒子:速度平行分量较大的粒子,磁场强弱变
化不影响它的“通行”,可以在整个环形等离子
体中运动
捕获粒子:速度平行分量较小的粒子,由外侧到内
侧运动时,因磁矩守恒,它会被强磁场区域反射,
被捕获在磁场较弱的磁阱中
两类粒子的界线
设在外侧B=B(1-4)(O=0
粒子初速度为平行分量、垂直分量v
到内侧
=B(1+)(O=z)
粒子速度为v,平行分量v=0,粒子被捕获条件
垂直分量=v即全部速度都是垂直分量。
磁矩守恒
-E1+E1+E
E1,划分两类粒子的界线
通行粒子:W/1√26
0
ot e
捕获粒子:v/v
设在速度空间粒子分布是各向同性,捕获粒子所占
的比例
d
sinO/sind0≈√2E口1
因此捕获粒子占的比例是很小的。若n0为粒子数
密度,则捕获粒子密度n=m√2
■两类粒子运动轨道特性
B
磁面
D10
M”A5
设由磁面上A点出发的通行粒子,由于磁力线曲
率和梯度引起漂移,当V0时,粒子的回旋中
心沿磁面内的一个小圆形漂移面运动,当T0
时,则沿磁面外的一个大圆漂移面运动,小圆漂
移面中心向外侧移动,大圆漂移面中心向内侧移
动(步长)
Nr≈qrc
q=2T/4
■从磁面上A点出发的捕获粒子,其回旋中心轨道
是一个香蕉形,V10时,粒子的回旋中心轨道
是沿磁面内的小香蕉,V0时,是沿磁面外的
大香蕉,大小香蕉的半宽度大致相等,可近似地
取为(步长)1≈2m/vEg/E
根据经典扩散系数公式:平均无规移动步长和特
征频率确定
三
e-B
粒子经历1次碰撞平均无规移动△x=
新经典扩散:考虑粒子运动轨道影响
通行粒子平均无规移动步长是
捕获粒子平均无规移动步长是M≈q/√
经典扩散系数,用新的平均无规移动步长
N≈ar→rM≈q1E→4心3E
来代替,则粒子运动轨道对扩散有很大影响,而
且扩散系数与碰撞频率也有密切关系。还需要考
察这两类粒子的特征频率(行走频率
■因为电子碰撞频率vT”,开始温度低,后来
温度高变化,va则由高到低,按电子碰撞频率的
高低划分不同区域,分别讨论电子的扩散问题
(1)流体区(vv)粒子的扩散
定义环形旋转磁场特征长度L=2zR/=qR
L代表沿磁力线连接环内侧和环外侧的特征距离
当粒子平均自由程λL时,粒子碰撞是频繁的,
通过特征长度L所需的时间
=L/v≈aR/v
对于捕获粒子V很小,通过特征长度L所需的时
间很长,还没有走完一个香蕉轨道就被其他粒子
碰走了,因此就不存在捕获粒子
定义:电子通过征长度L所需的特征时间和相应
的特征频率
gR/v
1/z
/gr
作为通行粒子(电子)绕小环一周的特征时间与
特征频率。碰撞频繁条件
电子平均自由程L
电子碰撞频率
/gR
这时碰撞频繁,磁流体力学方程可以适用,所以
称流体区。
碰撞频繁,捕获粒子不存在,绕大圆形漂移面的
通行粒子也完不成闭合的圆形轨道就因碰撞离开,
但还有相当大部分绕小圆形漂移面的通行粒子可
以存在。
小圆形漂移面通行粒子扩散系数(称新经典扩散系
数)
Dm=(△N)vn=(qn)va
△r≈qrc
Dm称新经典扩散系数但还有大量粒子,在碰撞
时间内没有完成圆形漂移面闭合轨道,这部分粒子
扩散为经典扩散,其贡献也应考虑:D=2vn
流体区的总扩散系数
Dn=(1+q)
称斐斯-舒鲁特( Flirsch- Schluter)扩散系数
比经典扩散增加了因子(+q2)。
如果取q≈3,(
1+a2)≈10
则扩散系数增加了一个量级
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