托罗瓦尔等离子体中基于Helicon波加热与天线等离子体耦合的三维多物理场建模
等离子体物理
2026-02-24 v1
摘要
对溢层密度的主动控制正在成为提高离心共振加热效能并实现高性能稳态运行的关键要求。Helicon波激励为实现高效、低杂质释放的高密度边界等离子体提供了有前景的物理方法。本文开发了THEMIS代码，构建了一个用于托罗瓦尔等效配置中Helicon波传播与功率沉积的全三维（3D）多物理场模型，采用有限温度热电导张量。该代码量化了多普勒位移离心阻尼、异常多普勒阻尼、碰撞阻尼和朗道阻尼的相对贡献，证明在Helimak装置中慢波传播和电子朗道阻尼主导可及加热区。对四种平面天线几何形状进行比较研究，发现几何截止效应和溢层密度梯度严重限制了功率进入核心可及区域的能力。为此，我们引入一种凹槽窗发射方案，将介质窗置于真空舱内，并系统扫描窗位置、天线几何形状和安装方向。通过这些分析，我们确定了高效Helicon波耦合的关键物理原则：开路终止的重要性、最大化天线条纹长度与宽度、控制导体间距、以及远离金属壁以避免近场抑制。基于这些原则，我们设计了一个优化的 Racetrack螺旋天线，耦合效率比传统短路矩形螺旋天线提高了一个数量级以上。
引用
@article{arxiv.2602.19472,
title = {Three Dimensional Multiphysics Modelling of Helicon Wave Heating and Antenna Plasma Coupling for Boundary Density Control in Toroidal Fusion Plasmas},
author = {Hua Zhou and Lei Chang and GuoSheng Xu and YiWei Zhang and Matthew Hole and Dan Du and ZhiSong Qu and MuQuan Wu},
journal= {arXiv preprint arXiv:2602.19472},
year = {2026}
}