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边界局域模对EAST钨偏滤器靶板腐蚀程度的数值模拟研究

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物理学报 2014年第3期63卷 324-332页

作者：黄艳孙继忠桑超峰丁芳王德真大连理工大学物理与光电工程学院大连116024 大连工业大学信息科学与工程学院大连116034 中国科学院等离子体物理研究所合肥230031

在高约束模式下发生的边界局域模会释放高能量等离子体,其中主要部分会辐照到面积相对较小的偏滤器靶板,偏滤器钨靶板发生热腐蚀的可能性最大.本文建立了包括了熔化、汽化和热辐射效应的一维热传导模型,采用数值模拟的方法,研究了EAST... 详细信息

在高约束模式下发生的边界局域模会释放高能量等离子体,其中主要部分会辐照到面积相对较小的偏滤器靶板,偏滤器钨靶板发生热腐蚀的可能性最大.本文建立了包括了熔化、汽化和热辐射效应的一维热传导模型,采用数值模拟的方法,研究了EAST未来偏滤器钨靶板在边界局域模作用下的热腐蚀程度.根据现有的边界局域模热流数据和多种未来可能的高能量边界局域模热流数据,计算了钨靶板的表面温度分布.结果显示当前的第一类边界局域模作用在钨靶板上,在高约束模式运行时间取32 s情况下,靶板表面温度从350 K增加到373 K,表明在当前的参数范围内,只要避免其他更严重的瞬时事件如破裂的发生,边界局域模还不会带来严重的威胁;如果边界局域模的能量增加到接近未来托卡马克边界局域模的能量范围1 MJ/m2,沉积时间为600μs,表面最大熔化厚度将达到6.8—6.9μm.

关键词：托卡马克边界局域模钨熔化

ITER第一类边界局域模对排布位错偏滤器靶板钨/铜瓦片腐蚀程度的数值模拟

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物理学报 2023年第18期72卷 317-328页

作者：黄艳孙继忠桑超峰王德真大连工业大学基础教学部大连116034 大连理工大学物理学院大连116024

偏滤器靶板钨/铜瓦片在高热流作用下的热表现是未来托卡马克ITER最受关注的问题之一.由于安装精度等因素,钨/铜瓦片会出现排布位错从而产生凸出棱边,凸出棱边处能流密度极大,严重侵蚀靶板.建立了二维对流传热的自洽模型,包括热辐射、汽... 详细信息

偏滤器靶板钨/铜瓦片在高热流作用下的热表现是未来托卡马克ITER最受关注的问题之一.由于安装精度等因素,钨/铜瓦片会出现排布位错从而产生凸出棱边,凸出棱边处能流密度极大,严重侵蚀靶板.建立了二维对流传热的自洽模型,包括热辐射、汽化和熔化效应,同时,耦合冷却水状态变化,研究类ITER第一类边界局域模热流对出现排布位错的偏滤器靶板钨/铜瓦片的腐蚀程度,比较直角、斜边瓦片的热性能.为了研究瓦片缝隙、排布误差对等离子体行为和能流密度分布的影响,利用二维边缘等离子体动理学程序计算不同排布误差下两种形状瓦片表面的能流密度分布,并作为热传导模型的输入参数.研究结果表明:瓦片缝隙附近等离子体行为会受排布误差影响,不同排布误差下的直角、斜边瓦片边缘处能流密度分布不同,对两种形状瓦片的热表现影响极大,排布误差越大,两种形状瓦片的热腐蚀程度越大;相对于直角瓦片,斜边瓦片在边界局域模热流作用下的热腐蚀程度较小,且有较好的对抗排布位错的能力.

关键词：边界局域模钨/铜瓦片排布位错热表现

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等离子体形变对边界局域模的作用研究

核聚变与等离子体物理 2020年第3期40卷 215-221页

作者：秦晨晨牟茂淋陈少永唐昌建吴娜四川大学物理学院成都610065 核工业西南物理研究院成都610041

在磁流体模拟代码BOUT++剥离气球模三场模块框架下研究了等离子体形变参数(拉长比和三角形变)对边界局域模的影响。研究表明,在线性阶段,拉长比主要作用于剥离气球模中气球模成分,抑制了环向模数较高的气球模不稳定性;而三角形变则对剥... 详细信息

在磁流体模拟代码BOUT++剥离气球模三场模块框架下研究了等离子体形变参数(拉长比和三角形变)对边界局域模的影响。研究表明,在线性阶段,拉长比主要作用于剥离气球模中气球模成分,抑制了环向模数较高的气球模不稳定性;而三角形变则对剥离气球模中剥离模成分和气球模成分均有抑制作用。在非线性阶段,拉长比导致边界E×B剪切率增加,迫使压强扰动的正值部分向等离子体芯部发展,导致边界局域模的能量损失增加;三角形变则导致边界E×B剪切率降低,使得压强扰动可以向等离子体边缘发展,台基向等离子体芯部的崩塌减弱,从而对边界局域模起到缓解作用。

关键词：边界局域模剥离气球模拉长比三角形变

ITER下边界局域模线圈1/4模型电磁分析

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合肥工业大学学报（自然科学版） 2014年第9期37卷 1143-1147页

作者：汪献伟中国科学院等离子体物理研究所安徽合肥230031

边界局域模线圈是国际热核聚变实验堆中用来抑制边界局域模现象的核心部件,在正常运行情况下,线圈中的电流和外部的背景场相互作用,在线圈上产生巨大的磁场和电磁力。由于边界局域模线圈通过螺栓连接固定在真空室内壁,在电磁载荷的冲击... 详细信息

边界局域模线圈是国际热核聚变实验堆中用来抑制边界局域模现象的核心部件,在正常运行情况下,线圈中的电流和外部的背景场相互作用,在线圈上产生巨大的磁场和电磁力。由于边界局域模线圈通过螺栓连接固定在真空室内壁,在电磁载荷的冲击下会在线圈的铠甲和支撑部件上产生较大的剪切应力,一旦Tresca应力超出材料的设计应力强度阈值,线圈的设计寿命和可靠运行将受到严重影响。文章根据麦克斯韦方程计算线圈上的磁场大小和电磁力分布,并将电磁力作为外部边界条件,借助有限元分析工具ANSYS提取线圈上的剪切应力,基于ASME标准,采用分析设计的方法对应力进行分类评定,验证了设计方案的可行性。

关键词：边界局域模国际热核聚变实验堆剪切应力电磁载荷分析设计

EAST高约束模式伴随边界局域模时能量在偏滤器靶板沉积模拟研究

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EAST高约束模式伴随边界局域模时能量在偏滤器靶板沉积模拟研究

作者：杜海龙大连理工大学

学位级别：硕士

伴随边界局域模的高约束放电模式(ELMy H模)是一种非常重要的运行模式,它不仅能够改善芯部等离子体的约束能力,而且可以周期性排除芯部等离子体产生的杂质粒子和能量,有利于聚变装置H模的持续稳态运行。ELMy H模将作为未来国际热核聚变... 详细信息

伴随边界局域模的高约束放电模式(ELMy H模)是一种非常重要的运行模式,它不仅能够改善芯部等离子体的约束能力,而且可以周期性排除芯部等离子体产生的杂质粒子和能量,有利于聚变装置H模的持续稳态运行。ELMy H模将作为未来国际热核聚变实验堆(ITER)的主要运行模式。但是在放电期间边界局域模很难控制,很容易给偏滤器靶板以及第一壁造成损伤,特别是第一类ELMs,因此伴随边界局域模的高约束模式放电的数值模拟对于聚变装置(ITER)的稳态运行非常重要。作为一个长脉冲先进超导托卡马克聚变装置EAST也已经通过不同的加热手段(低混杂波,离子回旋波,以及二者的组合)获得了ELMy H模,并且也通过朗缪尔探针研究了在ELMy H模期间粒子流与能流给偏滤器靶板造成的影响。然而到目前为止,很少有人使用边界等离子体程序SOLPS针对ELMy H模期间边界等离子体的输运进行模拟研究,因此,本论文主要使用二维边界等离子体程序包SOLPS5.0针对特定的EAST ELMy H模放电进行数值模拟研究。首先,在特定的EAST (36291炮)高约束模式放电实验参数的限制下,通过调整上游区径向反常输运系数来实现高约束模式模拟,在上游电子密度和温度与实验符合的条件下能够很好地进行下游区模拟。在实现高约束模拟的基础上又分别研究了漂移项(ExB,B×▽B)对偏滤器靶板能流不对称性的影响和上游能流衰减宽度对靶板能流密度峰值的影响。通过模拟发现,漂移是导致EAST放电内外靶板不对称性的原因之一,增大上游能流衰减宽度可以明显降低入射到靶板的峰值热流,并且偏滤器区辐射以及与中性粒子的相互作用减小了能流的衰减宽度对达到靶板能流的影响。其次,本文将针对EAST第三类边界ELMs(33266炮)进行了模拟研究。ELMs模拟主要是在获得H模的基础上实现。在特定的第三类边界ELMs放电参数(ELMs发生的频率fELMs,每次ELMs爆发时从芯部喷出的能量△WELM,沉积到偏滤器靶板的能量,靶板能流的峰值)的限制条件下,通过周期性的增大径向反常输运系数来实现局域模模拟。模拟与实验诊断结果进行对比,二者吻合的很好。然而,模拟发现ELMs期间偏滤器靶板处电子温度与实验诊断结果是不一致的,模拟中显示ELMs期间靶板处的电子温度明显增大(同JET第三类ELMs的SOLPS模拟结果相似),而实验显示ELMs期间电子温度并没有明显变化,具体的原因需要进一步研究。在模拟中也发现,ELMs期间的偏滤器内外靶板不对称性更为严重,并且与瞬间损失能量的大小称正比,这也很好的验证了第一类ELMs期间内外靶板的不对称性比第三类ELMs更加严重,表明除了漂移项以外,还可能存在其它原因导致了偏滤器内外靶板的不对称性,同时也说明在不同放电的情况下各个因素所起的作用不同,该问题还需要我们进一步深入研究。本工作为进一步模拟ELMs期间的脱靶现象提供了很好的基础。

关键词： SOLPS5.0 EAST 边界局域模高约束模偏滤器

EAST托卡马克早期H模实验边界局域模特征的统计分析

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东华大学学报（自然科学版） 2024年第2期50卷 153-159页

作者：刘程鸿林新丁楠丁根凡段莫疑杨清泉钟方川王福琼东华大学理学院上海中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所安徽合肥

为分析EAST托卡马克早期(2010—2014年)高约束运行模式(H模)中边界局域模(ELM)与哪些参数具有强相关性,在验证有效性的基础上,采用主打击点处Dα辐射的相对涨落来定量表征边界局域模幅度,建立EAST托卡马克早期H模下ELM特征数据库。统计... 详细信息

为分析EAST托卡马克早期(2010—2014年)高约束运行模式(H模)中边界局域模(ELM)与哪些参数具有强相关性,在验证有效性的基础上,采用主打击点处Dα辐射的相对涨落来定量表征边界局域模幅度,建立EAST托卡马克早期H模下ELM特征数据库。统计分析表明,ELM频率随边界安全因子的增大而减小,2010年type-ⅢELM的频率随总加热功率的增大而增大。这与其他装置或2015年以后EAST装置上得到的结果不一致,部分原因是碳杂质水平的变化。碳杂质水平是影响EAST托卡马克早期H模实验中ELM行为的重要因素之一。

关键词： EAST托卡马克边界局域模统计分析碳杂质

负三角形变位型下剥离气球模的非线性演化特征

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物理学报 2023年第4期72卷 178-184页

作者：秦晨晨牟茂淋陈少永四川大学物理学院成都610065 四川大学高能量密度物理国家重点实验室成都610065

托卡马克实验中已经实现了负三角形变位型下的高约束放电,其特点是具有较低的台基,并伴随幅值较小且频率较高的边界局域模.本文基于不同三角形变的托卡马克平衡,研究了负三角形变位型条件下剥离气球模的非线性演化特征.研究发现,由于弱... 详细信息

托卡马克实验中已经实现了负三角形变位型下的高约束放电,其特点是具有较低的台基,并伴随幅值较小且频率较高的边界局域模.本文基于不同三角形变的托卡马克平衡,研究了负三角形变位型条件下剥离气球模的非线性演化特征.研究发现,由于弱场侧坏曲率区域增大,负三角形变位型会使剥离气球模失稳;在非线性阶段,负三角形变位型下的剥离气球模压强扰动分布在极向截面上扩展到了弱场侧的顶部和底部区域,使得边界局域模更早发生崩塌,同时,在负三角形变位型下,多种环向模数的扰动被激发并增长,故而具有更明显的湍流输运特性.

关键词：边界局域模剥离气球模负三角形变位型

EAST上共振磁扰动对边界磁场拓扑结构与热输运影响的研究

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EAST上共振磁扰动对边界磁场拓扑结构与热输运影响的研究

作者：马群东华大学

学位级别：硕士

在当前托卡马克的实验中,边界局域模是在高约束模式放电下出现的一种磁流体不稳定性。共振磁扰动作为边界局域模控制的主要手段,其控制机制尚不清晰。共振磁扰动对磁场拓扑结构改变被认为是控制机制中的重要因素。本文基于EAST装置,在... 详细信息

在当前托卡马克的实验中,边界局域模是在高约束模式放电下出现的一种磁流体不稳定性。共振磁扰动作为边界局域模控制的主要手段,其控制机制尚不清晰。共振磁扰动对磁场拓扑结构改变被认为是控制机制中的重要因素。本文基于EAST装置,在共振磁场扰动控制边界局域模的实验中,靶板粒子负荷的三维分布特征以及对电子热输运的增强都验证了磁场拓扑结构的改变,为进一步理解拓扑结构改变在边界局域模的控制机制中的作用打下基础。通过混合模数的共振磁扰动对靶板上的粒子负荷影响的研究,验证了磁场拓扑结构的改变,并通过旋转其中n=2的分量实现对靶板粒子流的动态控制,与模拟计算结果符合较好。在施加扰动场后,观察到离子饱和流的打击点分裂和三维分布现象。通过旋转其中环向模数为n=2的分量,实现了对第二打击点处靶板粒子流的在靶板的动态控制,这将有助于在控制靶板处的局域的功率沉积。实验结果与利用磁力线追踪程序TOP2D给出的真空场靶板磁足迹分布有很好的一致性。实验中还观察到,当共振磁扰动边界局域模没有完全抑制的情况下,每一次边界局域模爆发产生的粒子流脉冲会同时出现在主打击点和因磁扰动产生的次打击点的位置,表明边界局域模的产生的瞬态热流粒子流与三维磁场作用下的边界磁场拓扑结构具有一定的耦合关系。在实现了对边界局域模的缓解效果下,首次用边界局域模爆发带来的电子温度崩塌作为微小扰动的方法进行了热输运分析,结果显示共振磁扰动增强了等离子体边界处的热输运。首先针对电子温度扰动在径向传播的时间延迟进行分析,发现该过程不受RMP的影响,且传播速度不具有热输运的特征,考虑该过程可能为边界局域模自身的影响。通过对电子热平衡方程的简化和求解,分析了电子温度崩塌后的恢复过程,分析并利用恢复的特征时间来表征输运特征时间。结果表明,在边界区域处,RMP投入期间,输运特征时间明显变短,电子热输运增强。输运系数的增强随径向向外而增大,在边界可以达到3倍。靶板粒子负荷的三维分布特征以及对电子热输运的增强反映了边界拓扑结构的改变,为进一步开展边界局域模控制机制的研究打下基础,也在工程上为靶板上功率沉积的控制提供了潜在的可行方案。

关键词：共振磁扰动边界局域模电子热输运磁场拓扑

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HL-2A中准相干模对粒子输运的影响

HL-2A中准相干模对粒子输运的影响

作者：石涵大连理工大学

学位级别：硕士

在中国大型托克马克HL-2A高约束模式中,发现了第一个边界局域模之前和两个边界局域模之间一种相干的扰动模式准相干模。准相干模在不同托卡马克下展现了不同的特征。HL-2A中的准相干模的性质和影响还不清楚。准相干模对粒子以及杂质的... 详细信息

在中国大型托克马克HL-2A高约束模式中,发现了第一个边界局域模之前和两个边界局域模之间一种相干的扰动模式准相干模。准相干模在不同托卡马克下展现了不同的特征。HL-2A中的准相干模的性质和影响还不清楚。准相干模对粒子以及杂质的输运有增强的效果,准相干模的存在可能会对台基区的恢复起到重要的作用,因此研究准相干模对粒子输运的影响至关重要。本文使用BOUT++来研究准相干模。BOUT++是一个用于等离子体流体模拟的大型C++程序平台。BOUT主要研究分形面附近、刮削层以及偏滤器的边缘等离子体。这部分等离子体具有与核心区等离子体显著不同的性质,包括更低的密度和温度、更高的碰撞率、更大的剖面梯度、复杂的偏滤器磁场位形和等离子体与内壁的相互作用等。研究准相干模所使用的数据是HL-2A中24959炮的数据剖面,通过六场双流体模型线性模拟确定了准相干模的具体触发机制,发现准相干模是由密度梯度驱动的电阻气球模。为了了解准相干模对粒子输运的影响,本文首先通过电阻气球模成功重现了准相干模,并得到的参数与实验参数几乎一致;其次,通过双谱分析Bispectrum分析了对于全模数的扫描准相干模下电势扰动和密度扰动的强弱,当准相干模存在时扰动强度大;通过滤波工具过滤了准相干模对应的频段,计算出有无准相干模的情况下的粒子流,对比了准相干模对粒子输运的影响,准相干模是靠密度梯度来驱动的。分为三种情况:0.5?n,1.0?n,1.5?n作为讨论,分别讨论了三种情况下的有无准相干模的粒子流强度,在准相干模存在时,粒子输运基本是湍流输运的5-6倍,准相干模不存在时,粒子输运与湍流输运相当。作为对比,本文再次用理论电阻气球模的输运和实验中准相干模的输运进行对比,来总结准相干模对于粒子输运的影响,发现准相干模输运比理论上的电阻气球模输运还要高。

关键词：高约束模式边界局域模准相干模 BOUT++ 粒子输运电阻气球模