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HT-6M托卡马克装置杂质输运

物理学报 2003年第8期52卷 1970-1978页

作者：徐伟万宝年谢纪康广州大学物理系广州510400 中国科学院等离子体物理研究所合肥230031

利用多道可见光谱探测系统和近紫外转镜系统测量了HT 6M托卡马克等离子体中杂质的时空分布 .建立完备的杂质输运程序 ,数值模拟碳、氧杂质在欧姆放电时的输运行为 ,得出了杂质的扩散和对流系数、不同电离态杂质离子密度、辐射功率密度... 详细信息

利用多道可见光谱探测系统和近紫外转镜系统测量了HT 6M托卡马克等离子体中杂质的时空分布 .建立完备的杂质输运程序 ,数值模拟碳、氧杂质在欧姆放电时的输运行为 ,得出了杂质的扩散和对流系数、不同电离态杂质离子密度、辐射功率密度和有效电荷数的空间分布 .分析低混杂波电流驱动 (LHCD)期间杂质行为 ,结果表明等离子体粒子约束、杂质约束和能量约束提高 ,辐射功率和有效电荷数减小 .

关键词： HT-6M托卡马克装置杂质输运扩散系数对流系数等离子体

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EAST托卡马克杂质输运蒙特卡洛模拟

计算物理 2015年第6期32卷 715-721页

作者：查学军钟德俊王福琼陈一平卢洪伟胡立群东华大学理学院应用物理系上海201620 中国科学院等离子体物理研究所合肥230031

介绍DIVIMP程序的基本思想和采用的物理模型,研究EAST托卡马克欧姆放电条件下碳杂质的产生与输运.模拟结果与实验测量具有较好的一致性,说明将该程序应用于EAST装置中杂质输运模拟的合理性.并利用DIVIMP程序预测EAST在8MW加热功率条件... 详细信息

介绍DIVIMP程序的基本思想和采用的物理模型,研究EAST托卡马克欧姆放电条件下碳杂质的产生与输运.模拟结果与实验测量具有较好的一致性,说明将该程序应用于EAST装置中杂质输运模拟的合理性.并利用DIVIMP程序预测EAST在8MW加热功率条件下钨杂质的输运特性.

关键词：托卡马克杂质输运模拟蒙特卡洛方法 DIVIMP

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杂质输运多流体与动理学模拟及比较

杂质输运多流体与动理学模拟及比较

作者：汪瑾安徽大学

学位级别：硕士

杂质输运研究是国际聚变等离子体模拟中一个非常重要的研究课题。目前,用于模拟托卡马克杂质输运的工具主要是数值模拟程序。大多数杂质输运数值模拟程序采用多流体或动理学模型来处理杂质粒子。因此,有必要为模拟过程选择一个合适的输... 详细信息

杂质输运研究是国际聚变等离子体模拟中一个非常重要的研究课题。目前,用于模拟托卡马克杂质输运的工具主要是数值模拟程序。大多数杂质输运数值模拟程序采用多流体或动理学模型来处理杂质粒子。因此,有必要为模拟过程选择一个合适的输运模型。对于杂质粒子而言,如果粒子的平均自由程远小于粒子的梯度定标长度时,可以利用多流体模型处理粒子。然而,刮削层(Scrape-Off Layer,SOL)中的杂质密度通常比较低,以至于在某些条件下粒子的平均自由程大于粒子的梯度定标长度,此时多流体模型的适用性受到限制。因此,有必要分别利用多流体和动理学模型来处理杂质粒子并进行比较。本论文分别利用二维边界等离子体流体程序SOLPS-ITER(Scrape-Off Layer Plasma Simulator-ITER)和二维蒙特卡罗杂质输运程序DIVIMP(Divertor Impurities)模拟了全超导托卡马克装置EAST(Experimental Advanced Superconductiong Tokamak)欧姆加热条件下#12303放电,t=5 s时边界等离子体和杂质输运,得到了SOLPS-ITER程序与DIVIMP程序模拟的碳杂质在不同电离状态下的二维密度分布以及SOLPS-ITER程序和DIVIMP程序计算的CIII(碳III,Carbon III)发射率分布。比较SOLPS-ITER与DIVIMP模拟结果,可以发现SOLPS-ITER和DIVIMP预测的碳原子密度分布相似。然而,对于处于不同电离态的碳离子,SOLPS-ITER预测的碳杂质离子的密度是DIVIMP预测的两倍左右。随着离子价态的增加,SOLPS-ITER和DIVIMP模拟的密度分布差异会变大。此外,DIVIMP在再现CIII分布形状方面比SOLPS-ITER更接近于实验测量,但就这些计算所涉及的不确定性而言,其差异是比较小的。杂质离子的平均自由程大于粒子的梯度定标长度时,DIVIMP杂质输运模拟更具合理性,同时DIVIMP还具有更强的几何适应性。但是,它却具有噪声大、计算时间长以及假设为稳态等缺点。如果在利用SOLPS-ITER程序模拟时,将DIVIMP的模拟结果代替原来的多流体模拟结果并得到收敛解,那么就可以解决多流体模型存在的一些局限性问题,优化边界杂质输运模拟程序。目前,国际上将SOLPS-ITER程序的背景等离子体作为蒙特卡罗程序DIVIMP的输入参数,却忽略了DIVIMP的模拟结果对背景等离子体的影响。本论文在SOLPS-ITER与DIVIMP模拟比较的基础上,将DIVIMP与SOLPS-ITER耦合,用于模拟聚变边界等离子体和杂质输运。SOLPS-ITER为DIVIMP运行提供背景等离子体,而DIVIMP的杂质离子密度分布则在耦合中反馈给SOLPS-ITER。在耦合过程中,SOLPS-ITER中用来处理杂质离子的多流体模型被DIVIMP中的动理学模型所取代,同时还考虑了杂质离子的动理学模型对背景等离子体的影响。在SOLPS-ITER中使用来自DIVIMP的杂质离子动理学密度分布,SOLPS-ITER/DIVIMP耦合运行收敛在一个稳定的状态。模拟结果显示了SOLPS-ITER/DIVIMP耦合模拟的SOL和偏滤器等离子体以及杂质的分布特性。本论文对SOLPS-ITER/DIVIMP耦合的模拟结果以及DIVIMP模拟结果对SOLPS-ITER背景等离子体的影响进行了分析与讨论。

关键词：杂质输运模拟 SOLPS-ITER DIVIMP

EAST上共振磁扰动引起的随机场对杂质输运的模拟研究

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核聚变与等离子体物理 2024年

作者：常友友孙有文盛回闫星廷李翰辉谢朋成张文敏郭晋毛世峰刘钺强张凌段艳敏李颖颖臧庆叶民友中国科学技术大学核科学技术学院中国科学院等离子体物理研究所华中科技大学美国通用原子能公司

基于EAST实验并结合随机场输运模型，模拟研究了真空场假设下和考虑等离子体响应时，共振磁扰动（RMP）引起的随机场对W20+输运的影响。模拟结果表明在随机场区域内，真空场假设下W20+的等效输运系数更大，但响应场下W20+的等效输运系... 详细信息

基于EAST实验并结合随机场输运模型，模拟研究了真空场假设下和考虑等离子体响应时，共振磁扰动（RMP）引起的随机场对W20+输运的影响。模拟结果表明在随机场区域内，真空场假设下W20+的等效输运系数更大，但响应场下W20+的等效输运系数可达3～5m2·s-1，约为W20+二维新经典扩散系数的3～5倍。考虑等离子体响应时，随机场区域W20+的等效输运系数与RMP谱型的依赖关系和实验结果符合得较好，但真空场假设下的结果与实验结果存在约60°的相位差。此外，相比于高环向模数的RMP,W20+的等效输运系数在低环向模数的RMP下更大，这与实验观测定性一致。

关键词：共振磁扰动随机场杂质输运

EAST上边界三维磁场拓扑结构对重杂质输运影响的模拟研究

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EAST上边界三维磁场拓扑结构对重杂质输运影响的模拟研究

作者：常友友中国科学技术大学

学位级别：硕士

托卡马克中的杂质输运是非常重要的课题。共振磁扰动(Resonant Magnetic Perturbation,RMP)是一种有效控制杂质的重要手段,EAST上大量实验观察表明RMP能有效控制杂质的输运,尤其是在磁场发生渗透之后。在RMP相位差扫描实验中发现杂质浓... 详细信息

托卡马克中的杂质输运是非常重要的课题。共振磁扰动(Resonant Magnetic Perturbation,RMP)是一种有效控制杂质的重要手段,EAST上大量实验观察表明RMP能有效控制杂质的输运,尤其是在磁场发生渗透之后。在RMP相位差扫描实验中发现杂质浓度与RMP谱型有很明显的依赖关系;在较低的环向模数下,RMP控制杂质的效果较好;随着杂质质量的增加RMP控制杂质的效果变好。尽管已经观测到相当多的实验现象,但RMP对杂质输运影响的物理机制还尚未明确。本文基于 EAST 实验,通过 Magnetohydrodynamic Resistive Spectrum(MARS-F)程序计算扰动场,分别从RMP引起的新经典环向粘滞(Neoclassical Toroidal Viscosity,NTV)效应和随机场输运两方面模拟研究了 EAST上边界三维磁场拓扑结构对杂质输运的影响,主要讨论了杂质离子电荷价态、杂质离子质量、等离子体响应、RMP相位差和环向模数对NTV效应和随机场输运的影响。本文第一部分工作通过NTVTOK程序模拟研究了 RMP引起的NTV效应对钨输运的影响,主要关注0.8输运系数只有10-4～10-3 m2/s,而W1+的等效输运系数可达0.1～1m2/s,与W1+的二维新经典扩散系数接近。数值模拟结果表明W1+的通量与RMP相位差有很明显的依赖关系,并且在低环向模数时通过NTVTOK计算得到的杂质离子通量比高环向模数时大,这些模拟结果与EAST上的实验结论定性一致。本文第二部分工作研究了 RMP引起的随机场对钨输运的影响,主要关注0.9输运系数,发现采取真空场假设时W20+的等效输运系数更大。然而即使考虑等离子体响应时,在随机场区域内W20+的等效输运系数可达2～5 m2/s,约为W20+的二维新经典扩散系数的2～3倍。不过当等离子体屏蔽效应较强时,随机层变窄,随机场对杂质离子输运的影响变弱,此时新经典输运可能是影响杂质离子输运的主要因素。考虑等离子体响应时,随机场区域W20+的等效输运系数与RMP谱型的依赖关系和EAST实验符合得较好,但是在真空场假设下的结果与实验存在约60°的相位差。另外,随机场对W20+的影响在低环向模数时比高环向模数时更为显著,与EAST实验定性一致。综上所述,NTV效应对低价态离子输运的影响要比高价态离子显著。而对于随机输运而言,高价态离子受到随机输运影响更大。当等离子体屏蔽效应较弱时,随机场会主导杂质离子输运,而当等离子体屏蔽效应较强时,边界随机层宽度变窄,随机场对杂质离子输运影响变弱,新经典输运可能会成为影响杂质离子输运的主要因素。

关键词： EAST托卡马克共振磁扰动三维磁拓扑杂质输运新经典环向粘滞随机场

晶硅铸锭过程中氩气驱动杂质输运机理及优化控制的数值研究

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晶硅铸锭过程中氩气驱动杂质输运机理及优化控制的数值研究

作者：李琛江苏大学

学位级别：硕士

能源短缺和环境污染是世界各国面临的重大难题,开发和利用可再生新能源是解决此问题的唯一出路。太阳能光伏发电是最具发展潜力的可再生能源技术之一,晶硅铸锭凭借其高效率、低成本优势,成为最主要的太阳电池材料。然而,在晶硅铸锭过程... 详细信息

能源短缺和环境污染是世界各国面临的重大难题,开发和利用可再生新能源是解决此问题的唯一出路。太阳能光伏发电是最具发展潜力的可再生能源技术之一,晶硅铸锭凭借其高效率、低成本优势,成为最主要的太阳电池材料。然而,在晶硅铸锭过程中不可避免地会引入氧碳杂质而导致多种晶体缺陷,进而严重影响晶硅太阳电池效率。因此,降低氧碳杂质浓度对提高晶硅铸锭品质和太阳电池效率具有重要意义。氩气流动强度和形式直接影响氧碳杂质的浓度和分布,而通过实验研究高温铸锭炉内复杂的传热传质现象具有很大的局限性。因此本文采用数值模拟为主、实验研究佐证的方法,研究晶硅铸锭过程中氩气驱动杂质输运的机理,数值优化了氩气工艺参数及导流结构,从而为生长低成本、高质量晶硅铸锭提供理论依据和指导方案。主要研究内容及结论如下:(1)构建了耦合导热、对流、辐射和相变等多种传热方式在内的全局二维瞬态传热流动数值模型,对所建立的数值模型进行了网格无关化、时间步长无关化验证。对模拟结果进行了准确性检验,实验研究得到的热电偶监测温度和模拟结果基本一致。在此基础上,开发了考虑化学反应和组分输运在内的全局三维稳态氧碳杂质耦合输运模型。(2)数值研究二维、三维模型下氩气流动和杂质输运现象,通过氩气流动驱动力分析,发现了坩埚出口处氩气回流三维特性及诱发机理。结果表明:与二维模型相比,氩气流动和杂质输运在三维模型中具有典型的回流现象,原因是坩埚外部的自然对流导致坩埚出口处对称面附近的氩气回流。回流氩气将坩埚外部的杂质引入坩埚内部,同时有效抑制坩埚盖板处的化学反应。强制对流主要影响熔体自由表面上方的氩气流动形式及强度,以及坩埚盖板处的化学反应速率。(3)数值研究了三维模型下氩气流量对氩气驱动杂质输运的影响规律。结果表明:氩气流量的增大会强化熔体自由表面上方氩气流动强度,促进坩埚盖板处化学反应的同时,有效抑制坩埚出口处的氩气回流,使得坩埚外部流入坩埚内部的CO减少,最终降低熔体自由表面CO浓度。氩气流量的进一步增加所带来的杂质降低收益逐渐减小,氩气流量超过50 L/min时,CO浓度略微降低,考虑性价比选择50 L/min作为优化后的氩气流量。(4)数值研究了三维模型下炉膛压力对氩气驱动杂质输运的影响规律。结果表明:炉膛压力的增大对坩埚出口处的氩气回流影响较小,但会增加熔体自由表面上方氩气流动强度,从而加强坩埚盖板处的化学反应速率,因此CO浓度随着炉膛压力的增加而增加。但当炉膛压力较小时,随着炉膛压力的减小,杂质在氩气中的扩散系数迅速增加,炉膛压力从200 mbar减小至50 mbar时,CO浓度反而从36.2 ppm增加至37.0 ppm。因此,选择200mbar作为优化后的炉膛压力。(5)设计了石墨坩埚护板结构,并研究了其结构参数对氩气驱动杂质输运的影响规律。结果表明:优化后的护板结构,有效地阻挡了坩埚出口处的氩气回流。同时坩埚盖板和石墨支柱交界处的涡胞消失,氩气能顺畅地从此处流出,避免了化学反应的进行和杂质的聚积。虽然增大了坩埚盖板局部化学反应速率,但最终熔体自由表面处的CO浓度明显降低。当a/b为0.5时氩气回流基本消失,熔体自由表面处CO浓度达到了最低值,相比改进前降低了15.2%。(6)设计了新型氩气导流结构,使得氩气实现底部出流和侧部出流,并数值研究了改进前后的氩气流动、化学反应及杂质输运,通过正交试验优化了新型氩气导流结构。结果表明:新型氩气导流结构作用下,坩埚出口处氩气回流的面积和强度没有发生变化,但侧部出流有效限制了氩气回流在熔体自由表面上方的流动区域,同时削弱了坩埚盖板处化学反应速率,最终使得熔体自由表面处CO平均浓度相比改进前降低了31%。正交试验结果显示,当H=50 mm,L=50 mm,Q=50 L/min时,最有利于氧碳杂质浓度的降低。

关键词：晶硅铸锭定向凝固法氩气流动杂质输运数值模拟

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HT-6M托卡马克杂质输运行为研究

深圳大学学报（理工版） 2003年第4期20卷 39-45页

作者：林晓东深圳大学师范学院深圳518060

以HT -6M托卡马克在欧姆加热条件下的氧、碳杂质空间分布的实际测量结果及该装置背景等离子体的具体特征为基础 ,建立起杂质输运分析程序 ,并由此展开模拟分析 .结果表明 ,该装置氧、碳杂质的浓度分别为 5 %ne和 3 %ne(ne为电子密度 ) ... 详细信息

以HT -6M托卡马克在欧姆加热条件下的氧、碳杂质空间分布的实际测量结果及该装置背景等离子体的具体特征为基础 ,建立起杂质输运分析程序 ,并由此展开模拟分析 .结果表明 ,该装置氧、碳杂质的浓度分别为 5 %ne和 3 %ne(ne为电子密度 ) ,杂质输运行为是反常的 ;扩散系数为 2 0m2 ·s- 1,有效电荷数Zeff接近

关键词： HT-6M托卡马克杂质输运受控热核聚变欧姆加热等离子体平衡理论有效电荷数

JET优化剪切等离子体中强弱内热垒的杂质输运

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国外核聚变 2001年第5期 35-48页

作者： H.Chen 晓岚

介绍了JET优化剪切等离子体中低电荷杂质和高电荷杂质粒种的粒子输运分析的结果，等离子体中心的杂质含量对内输运垒强度是敏感的，在强输运垒等离子体中，中心的扩散系数比弱输运垒等离子体中的扩散系数低一个数量级，在等离子体中心... 详细信息

介绍了JET优化剪切等离子体中低电荷杂质和高电荷杂质粒种的粒子输运分析的结果，等离子体中心的杂质含量对内输运垒强度是敏感的，在强输运垒等离子体中，中心的扩散系数比弱输运垒等离子体中的扩散系数低一个数量级，在等离子体中心杂质输运接近于新经典输运预言，而在等离子体边缘它比新经典理论值高得多，为了解释这些测量结果，在输运垒附近需要一个对流项，这些数据支持E×B剪切率抑制湍流的理论。

关键词：杂质输运 JET优化剪切等离子体强输运垒弱输运垒托卡马克装置反磁剪切

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HT－6M托卡马克杂质输运行为研究

深圳大学学报（理工版） 1994年第3期11卷 1-7页

作者：林晓东深圳大学应用物理系

以ＨＴ－６Ｍ托卡马克在欧姆加热条件下的氧、碳杂质空间分布的实际测量结果以及该装置背景等离子体的具体特征为基础，建立起杂质输运分析程序，并由此展开模拟分析．结果表明：该装置氧、碳杂质的浓度分别为５％ｎｅ和３％ｎｅ（ｎｅ... 详细信息

以ＨＴ－６Ｍ托卡马克在欧姆加热条件下的氧、碳杂质空间分布的实际测量结果以及该装置背景等离子体的具体特征为基础，建立起杂质输运分析程序，并由此展开模拟分析．结果表明：该装置氧、碳杂质的浓度分别为５％ｎｅ和３％ｎｅ（ｎｅ为电子密度），杂质输运行为是反常的；扩散系数为２．０ｍ２·ｓ－１，有效电荷数Ｚｅｆｆ接近４．

关键词：托卡马克等离子体杂质输运有效电荷数

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