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EAST装置边界锂杂质输运和靶板能流的emc3-eirene模拟研究

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EAST装置边界锂杂质输运和靶板能流的EMC3-EIRENE模拟研究

作者：潘奔大连理工大学

学位级别：硕士

聚变装置边界等离子体中的杂质输运问题是未来聚变装置中要面临的重要问题,其对维持聚变装置的高效运行和提高等离子体放电性能都有重要的意义。首先,边界的杂质会渗透进入等离子体芯部,稀释背景等离子体密度,进而降低放电效率。其次,... 详细信息

聚变装置边界等离子体中的杂质输运问题是未来聚变装置中要面临的重要问题,其对维持聚变装置的高效运行和提高等离子体放电性能都有重要的意义。首先,边界的杂质会渗透进入等离子体芯部,稀释背景等离子体密度,进而降低放电效率。其次,杂质辐射造成的能量损失,会使得芯部等离子体约束能力降低,严重时甚至会导致装置放电终止。但同时,杂质辐射又可以降低聚变装置偏滤器靶板的热负荷,缓解靶板的热损伤,从而延长偏滤器的使用寿命。因此,为了充分理解杂质粒子在边界复杂的输运特性,探究如何有效地控制边界杂质的辐射,开展对聚变装置中边界杂质的输运研究是十分必要的。锂被认为是一种很有潜力的面向等离子体材料,可以显著改善等离子体性能、提高聚变装置的稳定性。作为一种低Z杂质,锂产生的辐射以轫致辐射为主,且比高Z杂质低两个数量级。锂材料熔点低,容易液化,并形成具有自愈性的液态表面。不仅如此,沉积的锂杂质还会反应吸收背景等离子体中的碳氧杂质,从而降低等离子体杂质密度。因此,在聚变装置中注入锂杂质的模拟研究具有重要意义。在本论文的工作中,我们使用三维边界流体程序emc3-eirene模拟了EAST装置中注入锂粉的实验,进而理解锂杂质在边界区域的输运和辐射特性。在本文的第一部分,我们简介了磁约束核聚变的背景知识、未来聚变装置中将要面临的种种问题以及锂在各个聚变装置中的应用。第二部分介绍了三维边界杂质输运的基本物理模型,emc3-eirene程序流体方程的建立以及该程序在不同装置中的应用。第三部分,我们使用emc3-eirene程序模拟了EAST装置锂粉注入实验,研究了不同价态锂杂质在边界区域的输运特性、辐射特性以及锂杂质注入对靶板能流沉积的影响。模拟结果显示,Li离子和Li离子都主要沿着所在的磁通管输运,在环向上呈现非对称分布;Li、Li和Li离子的分布主要取决于其电离净源的分布;在贴近打击点附近注入锂时,锂杂质会辐射大量的能量,显著降低对应方向偏滤器靶板的能流沉积,而当注入位置远离打击点时则无此现象。最后在第四部分,我们对本文的主要工作进行了总结。

关键词： emc3-eirene 锂粉注入锂辐射能流沉积

在EAST刮削层中的边界杂质输运的emc3-eirene模拟研究

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在EAST刮削层中的边界杂质输运的EMC3-EIRENE模拟研究

Numerical estimate of multi-species ion sound speed of Langmuir probe interpretations in the edge plasmas of Wendelstein 7-X

第十八届全国等离子体科学技术会议

作者：谢添王德真戴舒宇大连理工大学物理学院

边界等离子体中的杂质输运性质对于聚变实验装置的运行和性能来说显得十分重要。一方面,渗透到等离子体约束区域的杂质产生的辐射会导致能量约束能力退化甚至会导致等离子体放电终止,从而限制了聚变实验装置日常的操作与运行。另一方面... 详细信息

边界等离子体中的杂质输运性质对于聚变实验装置的运行和性能来说显得十分重要。一方面,渗透到等离子体约束区域的杂质产生的辐射会导致能量约束能力退化甚至会导致等离子体放电终止,从而限制了聚变实验装置日常的操作与运行。另一方面,边界杂质辐射的有效控制能够大大降低偏滤器靶板的功率热负载,一定程度上能够延长偏滤器的使用寿命。因此,为了更好的理解杂质屏蔽和脱靶偏滤器等离子体的物理机制,边界杂质输运的研究变得越来越重要。在这篇文章中,将会采用三维的边界输运代码emc3-eirene来模拟研究EAST刮削层中的边界杂质输运,具体分析内外偏滤器靶板的侵蚀以及垂直输运对刮削层中杂质分布的影响。研究表明了第一壁上的杂质源会影响模拟结果,将采用复杂的计算体积辐射处理程序去研究处于不同电荷价态的侵蚀杂质的线辐射。

关键词：边界输运杂质 emc3-eirene EAST

来源： cnki会议评论

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Plasma Science and Technology 2020年第8期22卷 63-70页

作者： J COSFELD P DREWS B BLACKWELL M JAKUBOWSKI H NIEMANN D ZHANG Y FENG the Wendelstein-X Team Forschungszentrum Jülich GmbH Institut für Energie-und Klimaforschung-PlasmaphysikPartner of the Trilateral Euregio Cluster(TEC)52425 JülichGermany JARA-HPC Jülich Supercomputing CentreForschungszentrum Jülich GmbH52425 JülichGermany Australian National University Acton ACT2601 CanberraAustralia Max-Plank-Insitut für Plasmaphysik 17491 Greifswald/85748 GarchingGermany

The recently modified emc3-eirene code package has been widely applied as an edge-plasma analysis tool and resulted in successful validation against various measured trends seen in stellarator and tokamak plasma *** has been shown that the code package applied for Wendelstein 7-X(W7-X)discharges in the interpretive mode can assess the impact of impurity effects on the electron density,measured by a set of Langmuir *** particular the spatial quantification of impurities and effects from the effective charge state Zeff and effective mass meff,which are non-trivial to record by diagnostics,were *** results showed that earlier assumptions of the effective charge-state distribution and effective mass for reported Langmuir probe measurements must be ***,reprocessing these measurements with code-interpreted spatial profiles of the effective charge state and effective mass led to an overall improved physical consistency.

关键词： Wendelstein 7-X plasma-wall interaction numerical-diagnostics emc3-eirene

Influence of the X-point location on edge plasma transport in the J-TEXT tokamak with a high-field-side single-null divertor

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Plasma Science and Technology 2021年第12期23卷 42-54页

作者： Hao WANG Yunfeng LIANG Shuai XU Zhonghe JIANG Yuhe FENG A KNIEPS P DREWS Jie YANG Xin XU Ting LONG Shaodong JIAO Xiaolong ZHANG Zhigang HAO Qinglong YANG Zhipeng CHEN Zhongyong CHEN Nengchao WANG Zhoujun YANG Xiaoqing ZHANG Yonghua DING Yuan PAN the J-TEXT Team International Joint Research Laboratory of Magnetic Confinement Fusion and Plasma Physics State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and TechnologySchool of Electrical and Electronic EngineeringHuazhong University of Science and TechnologyWuhan 430074People's Republic of China Forschungszentrum Julich GmbH Institut fur Energie-und Klimaforschung-PlasmaphysikPartner of the Trilateral Euregio Cluster(TEC)52425 JiilichGermany Institute of Plasma Physics Chinese Academy of SciencesHefei 230031People's Republic of China Max-Planck-Institut fur Plasmaphysik EURATOM Association17491 GreifswaldGermany Southwestern Institute of Physics Chengdu 610041People's Republic of China Advanced Energy Research Center Shenzhen UniversityShenzhen 518060People's Republic of China

High-density experiments in the high-field-side mid-plane single-null divertor configuration have been performed for the first time on *** experiments show an increase in the highest central channel line-averaged density from 2.73×10^(19)m^(-3) to 6.49×10^(19)m^(-3),while the X-point moves away from the target by increasing the divertor coil *** corresponding Greenwald fraction rises from 0.50 to *** the impurity transport,the density normalized radiation intensity(absolute extreme ultraviolet and soft x-ray)of the central channel density decreased significantly(>50%)with an increase in the plasma *** better understand the underlying physics mechanisms,the 3 D edge Monte Carlo code coupled with eirene(emc3-eirene)has been implemented for the first time on *** simulation results show good agreement with the experimental *** the X-point moves away from the target,the divertor power decay length drops and the scrape-off layer impurity screening effect is enhanced.

关键词： edge plasma transport divertor configuration emc3-eirene

EAST中装置中靶板材料对边缘等离子体的影响

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南昌大学学报（理科版） 2021年第4期45卷 321-325页

作者：戴舒宇潘奔刘冰大连理工大学物理学院辽宁大连116024

靶板的材料是当前聚变研究中的重要问题之一,偏滤器靶板材料的选择对偏滤器靶板寿命、杂质控制和等离子体参数的提升都有重要意义。在高参数等离子体条件下,会有巨大的粒子流和热流通过刮削层到达偏滤器靶板,进而引起靶板的溅射和侵蚀... 详细信息

靶板的材料是当前聚变研究中的重要问题之一,偏滤器靶板材料的选择对偏滤器靶板寿命、杂质控制和等离子体参数的提升都有重要意义。在高参数等离子体条件下,会有巨大的粒子流和热流通过刮削层到达偏滤器靶板,进而引起靶板的溅射和侵蚀。因此不同材料的靶板在等离子体轰击下对边缘区域等离子体参数的影响也会不同。在本工作中,我们使用三维边缘输运程序emc3-eirene研究了锂、硼、碳、钨四种不同的靶板材料下的电子密度、电子温度以及中性粒子密度的分布。结果发现钨靶板的下游电子密度明显低于其余3种靶板材料,而钨靶板的下游电子温度则较高。中平面附近的电子温度和密度分布也观察到了相似的规律。

关键词：靶板材料边缘等离子体 emc3-eirene EAST

J-TEXT托卡马克强场侧单零偏滤器位型欧姆放电等离子体边界输运研究

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J-TEXT托卡马克强场侧单零偏滤器位型欧姆放电等离子体边界输运研...

作者：王灏华中科技大学

学位级别：硕士

托卡马克装置运行中,随着参数的不断提高,等离子体边界区域与装置壁的相互作用不断增强,装置壁热负荷增大。为了缓解装置壁热负荷,进一步提高等离子体运行参数,提高排杂能力,偏滤器位型被广泛的应用在托卡马克装置中。偏滤器位型的引入... 详细信息

托卡马克装置运行中,随着参数的不断提高,等离子体边界区域与装置壁的相互作用不断增强,装置壁热负荷增大。为了缓解装置壁热负荷,进一步提高等离子体运行参数,提高排杂能力,偏滤器位型被广泛的应用在托卡马克装置中。偏滤器位型的引入,使等离子体运行参数进一步提高,有效约束了等离子体边界与装置壁相互作用,提高了对杂质的屏蔽能力,增强了反应杂质的排除能力。偏滤器位型边界等离子输运,不仅影响着等离子体与装置壁的相互作用,而且对芯部的约束也至关重要。J-TEXT上已经成功进行了强场侧偏滤器位型放电实验,显示出其在改善装置运行参数,降低杂质扩散方面的优势,此外,还计划将磁岛偏滤器位型引入到装置中,以进一部探究新的位型。针对强场侧偏滤器位型的边界等离子体输运研究,有助于进一步理解偏滤器位型输运特性,探究其影响因素。本文内容包括J-TEXT上欧姆放电下首次进行的强场侧(High field side,HFS)单零偏滤器位型高密度运行下边界等离子体输运的实验研究。实验中,通过固定等离子体电流,改变偏滤器线圈电流的方式,探究X点位置对边界等离子体输运的影响。当电流下降至8k A时,X点移到强场侧靶板背后,等离子体回到限制器位型。破裂前中心道弦平均密度值从6.49×10 m下降到2.73×10 m。对应的密度极限分值(Greenwald fraction)从0.79降到0.50。当偏滤器线圈电流为15 k A时,随中心道弦平均密度从～4×10 m上升到～6.8×10 m,峰化因子(中心道弦平均密度与边界密度之比(?)/n)上升约40%,边界温度从约35 e V下降至约27 e V。且下游靶板离子饱和流增速快于上游离子饱和流增速。强场侧中平面单零偏滤器位型下,当偏滤器线圈电流为15 k A和12 k A时,随等离子体密度提高,中心道密度归一化辐射强度(AXUV和SXR)下降超过50%,CIII辐射峰值由刮削层逐渐向X点内侧移动,再逐渐向芯部移动。为更好地理解实验现象背后的物理过程,首次将emc3-eirene(3D-Edge-montecarlo-code-coupled-eirene)应用在J-TEXT强场侧中平面单零偏滤器位型下的边界等离子体输运的模拟研究中。通过与实验中进动探针(Reciprocating probe,RP)测量到的电子密度和温度分布进行拟合,确定粒子和能量的垂直输运系数D和x,最外层闭合磁面电子密度n以及进入刮削层的功率P。并与辐射诊断信号进行对比。通过模拟,获得二维分布,有助于更好的观察等离子体和杂质分布随X点位移的变化。模拟中,随着X点远离靶板,热通量衰减长度从4.6 cm下降至3.3 cm,与此同时,刮削层杂质屏蔽能力增强。因此,J-TEXT上强场侧中平面单零偏滤器位型下,边界等离子体输运受X点位置和等离子体密度的影响。随X点远离靶板,等离子体运行参数进一步提高,杂质屏蔽能力增强。随密度上升,边界温度下降,下游粒子通量快速增加,杂质辐射增强。

关键词： J-TEXT 偏滤器位型高密度边界等离子体输运 emc3-eirene

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磁约束等离子体边界层里杂质辐射的研究

磁约束等离子体边界层里杂质辐射的研究

作者：钟德俊东华大学

学位级别：硕士

磁约束聚变装置是当前世界上研究受控热核聚变的主要装置，装置里位于芯部等离子体与第一壁之间的边界等离子体，由于和第一壁直接相互作用，因此等离子体中杂质的存在不可避免。根据实验条件及装置使用材料的不同，等离子体中杂质种类... 详细信息

磁约束聚变装置是当前世界上研究受控热核聚变的主要装置，装置里位于芯部等离子体与第一壁之间的边界等离子体，由于和第一壁直接相互作用，因此等离子体中杂质的存在不可避免。根据实验条件及装置使用材料的不同，等离子体中杂质种类在从低Z杂质到高Z杂质一个很宽的范围内分布。边界层中的杂质离子会因为受到各种力的作用进入到芯部，从而污染芯部等离子体，杂质所产生的辐射功率损失使等离子体的温度降低，最终可导致等离子体约束时间减小并可导致等离子体熄灭。可见，边界等离子体行为将直接影响磁约束聚变装置及未来聚变堆的排灰、排热和杂质控制，边界层杂质问题的研究是托卡马克类磁约束聚变装置研究的前沿课题。由于磁约束聚变研究中边界等离子体输运过程的复杂性，其主要的理论研究手段是借助大型数值模拟程序来进行边界等离子体（偏滤器物理）的研究。emc3-EIREN是当今世界上唯一的研究三维边界等离子体和杂质输运的并行程序包，它采用了蒙特卡罗模拟方法来求解流体模型的输运方程组。该大型模拟程序包以聚变装置的真实边界几何位形为计算区间，紧密结合了边界层具体物理参数，因而模拟结果能充分体现具体装置边缘等离子体的特性，是当前tokamak和仿星器边界输运研究的重要工具，本论文应用大型数值模拟程序emc3-eirene程序模拟了ITER装置在电流爬升阶段，分立限制器溅射出来的铍杂质在边界层的三维输运和辐射功率，得到了铍杂质的密度分布特性等;同时自编程序在日冕平衡和非日冕平衡（考虑杂质输运效应）条件下分别计算了等离子体边界sol层里，铍（Be）杂质各个价态辐射的总功率，并和三维程序emc3-eirene的计算结果作对比，结果符合很好。开展该模拟研究对于研究有关ITER边界等离子体输运的科学问题具有一定的意义。

关键词：日冕平衡 ITER 托卡马克边界层 emc3-eirene 杂质输运杂质辐射

EAST装置刮削层中的边界等离子体和杂质输运的三维模拟研究

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EAST装置刮削层中的边界等离子体和杂质输运的三维模拟研究