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托卡马克边缘等离子体中锂粉输运的模拟研究

托卡马克边缘等离子体中锂粉输运的模拟研究

作者：邹莹大连理工大学

学位级别：硕士

托卡马克磁控核聚变被认为是解决人类能源危机的终极方案。但随着等离子体参数的提高和放电时间的增加,托卡马克中边缘等离子体与器壁相互作用这一问题显得尤为重要。为了选择合适的壁材料,人们分别开展了铍、碳、钨作为壁材料的相关实... 详细信息

托卡马克磁控核聚变被认为是解决人类能源危机的终极方案。但随着等离子体参数的提高和放电时间的增加,托卡马克中边缘等离子体与器壁相互作用这一问题显得尤为重要。为了选择合适的壁材料,人们分别开展了铍、碳、钨作为壁材料的相关实验和模拟研究,但是结果表明这些材料都存在着一些比较严重的缺陷。针对这一问题,近年来研究发现采用金属材料锂有潜在优势,因为锂具有可降低偏滤器处的等离子体能流,对芯部等离子体污染小等优点。最近在超导EAST装置上成功实现超过30秒的H膜,也与锂处理等离子体面壁密切相关。本论文主要是针对EAST装置中撒入锂粉的实验,围绕锂粉在边缘等离子体中的输运及其与等离子体相互作用这一基础问题展开,为我国磁控核聚变实验相关实验工作提供理论指导。在第一章中,主要介绍了等离子体的一些基本知识和受控磁约束核聚变的发展史,比较了几种等离子体壁材料,最后介绍了新兴锂材料在聚变装置中的应用情况及取得的进展。在第二章中,将详细地介绍在模拟锂粉输运这一过程所涉及到的理论和数值方法。在第三章中,结合主要实验参数进行了具体的数值模拟研究,包括锂颗粒的带电、受力及运动特性的研究及锂颗粒蒸发为锂原子后在空间的分布情况。在第四章中,主要针对锂原子与背景等离子体的碰撞进行模拟,初步研究了锂原子与背景等离子体的相互作用。结合当前EAST装置撒入锂粉锂化壁面过程进行数值模拟。首先,将锂粉看作球形小颗粒,利用轨道运动限制理论研究其在边缘等离子体中表面带电、受力和运动轨迹的变化。采取典型的边缘等离子体参数,研究表明,对于微米量级的锂颗粒,约在纳秒时间量级内就能达到充电平衡,所收集电荷数量约为104量级。同时,由于锂颗粒在等离子体中会受到到离子拖拽力、重力、洛伦兹力的作用,根据牛顿力学方程追踪其运动轨迹。我们主要针对EAST装置上常用的半径为lμm和22μm的锂颗粒进行模拟,对锂颗粒而言,半径越大,相应的运动轨迹越长,对于半径为22μm的锂颗粒,在蒸发前沿各个方向运动的距离约为毫米量级。锂颗粒在等离子体中由于受热会使表面温度升高,待颗粒表面温度达到升华温度后即蒸发为锂原子,可以相应的给出锂原子在空间的分布,为下一步继续研究锂杂质输运提供了初始条件。由于锂原子将与等离子体发生碰撞反应,那么相应的采用蒙特卡罗方法模拟某一位置处锂原子与背景等离子体之间的碰撞,结果表明,最终空间中相应的一价锂离子较多,为深入研究锂杂质与等离子体的相互作用提供理论指导。

关键词：边缘等离子体锂粉输运

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托卡马克边缘等离子体中锂杂质输运模拟研究

托卡马克边缘等离子体中锂杂质输运模拟研究

作者：王旋大连理工大学

学位级别：硕士

人类的生存和发展离不开能源。但地球上现有的煤炭、石油等化石能源日益枯竭,核裂变能存在着核废料处理困难运行存在潜在安全等问题,因此亟需开发新能源。磁约束核聚变具有原料储量丰富、反应可控、清洁无污染等优点,日益引起人们的重视... 详细信息

人类的生存和发展离不开能源。但地球上现有的煤炭、石油等化石能源日益枯竭,核裂变能存在着核废料处理困难运行存在潜在安全等问题,因此亟需开发新能源。磁约束核聚变具有原料储量丰富、反应可控、清洁无污染等优点,日益引起人们的重视,被认为是解决人类能源问题的终极方案。但要实现可控核聚变人们面临着诸多挑战,随着等离子体参数的提高,放电时间的增长,托卡马克中等离子体与面壁相互作用问题日益严重,找寻合适的壁材料以及合理的壁处理方法是实现聚变的关键。近年来研究发现锂作为聚变材料具有诸多潜在优势。许多实验表明通过引入锂可以有效降低芯部杂质浓度,延长等离子体约束时间,有效降低ELMs,减小偏滤器靶板处的能流。特别是最近在EAST上还发现注入锂粉可获得长脉冲新型稳态高约束模式。尽管大量实验均表明经过锂壁处理的托卡马克装置具有诸多优点,但关于锂杂质是如何在边缘等离子体中输运,锂杂质和背景等离子体是如何相互作用的,这其中的物理机制仍不清楚。因此,迫切需要开展锂杂质在边缘等离子体中的输运,以及对背景等离子体作用的研究。本文基于大型边缘等离子体流体模拟程序BOUT++开发锂杂质输运模块,利用该模块模拟在EAST放电过程中从上偏滤器位置实时注入锂粉,模拟锂杂质在边缘等离子体中的输运以及与背景等离子体相互作用。在第一章中主要介绍了与本文相关的物理背景和现实意义,并引出了开展本项工作的重要性,重点阐述了锂作为一种聚变材料已经实现的广泛应用和潜在应用。第二章介绍了本工作所采用的物理模型和设置的边界条件,介绍了本次模拟所考虑的粒子种类和粒子间的碰撞反应,给出了具体支配方程,并详细介绍此次模拟中考虑的边界条件。第三章给出了模拟工作的相关结果。针对具体实验参数进行实时注入锂粉模拟,展示了锂杂质的输运过程,锂离子的径向分布、极向分布,以及与背景等离子体的相互作用。最后比较了模拟结果与实验结果。模拟结果表明：在锂粉注入过程中,锂原子迅速电离生成锂离子,产生的锂离子主要在托卡马克边缘区域聚集,并随时间沿极向缓慢扩散。从中平面位置注入锂粉,锂离子能够进入到较深的区域。同时本文讨论了在锂粉注入过程中锂离子与背景等离子体的相互作用,给出了背景等离子体的密度分布,其中两者的碰撞摩擦力起到了主要作用。最后对比实验结果发现定性符合,验证了模拟的可靠性。

关键词：能源托卡马克锂杂质边缘等离子体

轻质弹丸在托卡马克边缘等离子体中的消融模拟研究

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轻质弹丸在托卡马克边缘等离子体中的消融模拟研究

作者：刘立军大连理工大学

学位级别：硕士

磁约束可控核聚变是解决未来能源危机的一条理想的途径。托卡马克是目前最有希望实现和平利用核聚变能的装置。而高约束模式是当前托卡马克聚变等离子体的基础运行模式;尽管高约束模式有着更高的聚变参数,但这种运行模式伴随着周期性爆... 详细信息

磁约束可控核聚变是解决未来能源危机的一条理想的途径。托卡马克是目前最有希望实现和平利用核聚变能的装置。而高约束模式是当前托卡马克聚变等离子体的基础运行模式;尽管高约束模式有着更高的聚变参数,但这种运行模式伴随着周期性爆发的边缘等离子体不稳定性,即边缘局域模(ELM)。边缘局域模会周期地从芯部向刮削层喷发高通量的粒子流,短时间内将超过材料热负荷极限的能量沉积到装置局域等离子体面壁上,造成装置壁材料损伤,由此产生杂质,影响托卡马克装置整体的等离子体约束性能。为了保护面壁材料必须采取人为的技术手段抑制或缓解ELM。弹丸注入调制ELM是两种基本方法之一。采用弹丸注入技术路线可以与未来产生大通量中子的核聚变装置兼容,因而值得更深入研究。弹丸注入到等离子体中会消融,但描述其消融过程需要一个合理的模型;此模型需考虑高约束模式台基区等离子体剖面在径向边缘处存在的强温度、密度梯度问题。在前人模型的基础上,本论文采用自己改进的弹丸消融模型,考虑了弹丸在运动过程中其周围的变化等离子体密度和温度,从而得到了依赖于背景等离子体密度和温度的弹丸粒子消融率。新模型可以量化速度对消融的影响,并给出了中性粒子在各个时刻的密度分布。这些动态信息可以进一步用作等离子体输运程序的初始数据,开展更深入的研究。本文应用改进的动态中性气体屏蔽弹丸消融模型给出了在典型高约束运行模式等离子体台基区注入锂弹丸的消融过程,同时考察了弹丸大小、速度对弹丸消融的影响。针对EAST锂弹丸注入实验,采用实验工作参数,应用此模型得到了锂弹丸在注入过程中的粒子消融率和中性锂原子的分布,然后将锂原子分布作为杂质密度源项的初始数据,进一步耦合到大型边缘等离子体输运程序SOLPS,给出各种粒子在真实托卡马克放电等离子体中的时空分布。在论文第四章本工作应用动态中性气体屏蔽弹丸消融模型,研究了在EAST真实放电背景下,氘弹丸、硼弹丸注入的消融情况,并与锂弹丸做了比较。这些轻杂质弹丸沉积粒子位置相对氘弹丸来说更深,预示着不同触发ELM特性。

关键词：边缘等离子体台基区弹丸注入弹丸消融

Alcator C—Mod边缘等离子体的H模坪顶的特征及MHD稳定性

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国外核聚变 2003年第1期 35-45页

作者： D.A.Mossessian 柳柳等

在Alcator C-Mod 中大多数运行条件下，H模的主要类型是稳态增强Da(EDA)模，表征为良好的能量约束，连续降低的杂质约束及没有规则的边缘局域模（ELMs)。在这种工况下，观察到准耦合（QC）电磁模（Rθ-5cm^1,f-100kHz)，它位于密度坪顶... 详细信息

在Alcator C-Mod 中大多数运行条件下，H模的主要类型是稳态增强Da(EDA)模，表征为良好的能量约束，连续降低的杂质约束及没有规则的边缘局域模（ELMs)。在这种工况下，观察到准耦合（QC）电磁模（Rθ-5cm^1,f-100kHz)，它位于密度坪顶区域，实验数据表明，这种模对粒子输运的增强负责，实验显示，QC模可以存在于边缘温度－安全因子空间内确定好的区域，有利于边缘高的q值（q95≥3．5）和所要求的适当的坪顶温度Tc^ped≤Tc(Tc-400eV)。因为边缘温度和压力梯度增大，所以QC模被宽带低扰动（f边缘理想气球稳定性的分析表明，如果考虑了边缘自举电流，它因边缘高碰撞性而减小，那么边缘压力梯度也不会受到无限的n 理想气球模的限制，由边缘压力和压力梯度共同驱动的耦合理想剥落／气球中等n模的线性稳定性分析表明，这些模在C－Mod边缘，在压力梯度范围内变得边缘不稳定，在压力梯度范围内，观察到多刺的ELms(p≥1.2×10^7Pa·Wb^-1·rad)。该结果与作为中等模数（n)的剥落／气球模的ELMs模型的结果是一致的。另一方面，已被证明的EDA工况下的理想模的稳定性以及该稳定性存在所要求的低Te^ped的事实，支持表现出QC模电阻特性的理论模型。

关键词： AlcatorC-Mod 边缘等离子体 MHD稳定性 H模坪顶特征托卡马克装置

DⅢ—D中边缘定域模对边缘等离子体定标的影响

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国外核聚变与等离子体应用 1993年第5期 16-21页

作者： Hill,DN 易桂英

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ITER中的边缘等离子体和表面条件

国外核聚变与等离子体应用 1992年第1期 25-30页

作者： Har.,MFA 施雷

JT—60 ICRF加热期间RF与边缘等离子体的相互作用

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国外核聚变与等离子体应用 1991年第5期 1-11页

作者：藤井寒冰

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HL-2A装置边缘等离子体的实验观测

核工业西南物理研究院年报 2004年第1期 25-27页

作者：洪文玉严龙文钱俊王相星潘宇东罗萃文徐征宇潘莉李伟崔正英姚良骅饶军

HL-2A装置边缘等离子体在中平面的特性是通过可移动的探针组、快速扫描气动4探针和LHW天线边缘的固定4探针进行研究的。用于测量主等离子体边缘的温度、密度、悬浮电位、空间电位、径向和极向电场、雷诺协强、径向和极向等离子体流速及... 详细信息

HL-2A装置边缘等离子体在中平面的特性是通过可移动的探针组、快速扫描气动4探针和LHW天线边缘的固定4探针进行研究的。用于测量主等离子体边缘的温度、密度、悬浮电位、空间电位、径向和极向电场、雷诺协强、径向和极向等离子体流速及其径向分布。偏滤器靶板上的14组嵌入式静电3探针阵列用于测量同一环向截面的内外中性化板上的电子温度、密度、悬浮电位及其分布。

关键词：快速扫描探针嵌入式探针阵列 HL-2A装置边缘等离子体

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HL-1M装置边缘等离子体特性研究

中国核科技报告 1999年第S2期 26-27页

作者：严龙文洪文玉钱俊杨式坤王恩耀

边缘和芯部等离子体的同时控制对优化托卡马克等离子体性能是重要的。边缘等离子体密度、温度和空间电位等通常采用朗缪尔静电探针测量,而旋转速度可用马赫探针测量。好的加料技术对于获得高性能等离子体也很重要,在HL-1M装置上已开展了... 详细信息

边缘和芯部等离子体的同时控制对优化托卡马克等离子体性能是重要的。边缘等离子体密度、温度和空间电位等通常采用朗缪尔静电探针测量,而旋转速度可用马赫探针测量。好的加料技术对于获得高性能等离子体也很重要,在HL-1M装置上已开展了8发弹丸注入和分子束注入(MBI)加料实验,它能使等离子体产生中空的温度和电流密度分布,并容易获得高密度和良好的约束。本文主要介绍在低杂波电流驱动(LHCD)、多发弹丸注入和MBI三种典型放电中边缘等离子体参数的测量结果。

关键词：边缘等离子体粒子约束