托卡馬克邊緣等離子體中鋰雜質輸運模擬研究.pdf

1、人類的生存和發(fā)展離不開能源。但地球上現(xiàn)有的煤炭、石油等化石能源日益枯竭，核裂變能存在著核廢料處理困難運行存在潛在安全等問題，因此亟需開發(fā)新能源。磁約束核聚變具有原料儲量豐富、反應可控、清潔無污染等優(yōu)點，日益引起人們的重視，被認為是解決人類能源問題的終極方案。但要實現(xiàn)可控核聚變人們面臨著諸多挑戰(zhàn)，隨著等離子體參數(shù)的提高，放電時間的增長，托卡馬克中等離子體與面壁相互作用問題日益嚴重，找尋合適的壁材料以及合理的壁處理方法是實現(xiàn)聚變的關鍵。近年

2、來研究發(fā)現(xiàn)鋰作為聚變材料具有諸多潛在優(yōu)勢。許多實驗表明通過引入鋰可以有效降低芯部雜質濃度，延長等離子體約束時間，有效降低ELMs，減小偏濾器靶板處的能流。特別是最近在EAST上還發(fā)現(xiàn)注入鋰粉可獲得長脈沖新型穩(wěn)態(tài)高約束模式。盡管大量實驗均表明經(jīng)過鋰壁處理的托卡馬克裝置具有諸多優(yōu)點，但關于鋰雜質是如何在邊緣等離子體中輸運，鋰雜質和背景等離子體是如何相互作用的，這其中的物理機制仍不清楚。因此，迫切需要開展鋰雜質在邊緣等離子體中的輸運，以及對背

3、景等離子體作用的研究。
　　本研究基于大型邊緣等離子體流體模擬程序BOUT++開發(fā)鋰雜質輸運模塊，利用該模塊模擬在EAST放電過程中從上偏濾器位置實時注入鋰粉，模擬鋰雜質在邊緣等離子體中的輸運以及與背景等離子體相互作用。介紹了與本文相關的物理背景和現(xiàn)實意義，并引出了開展本項工作的重要性，重點闡述了鋰作為一種聚變材料已經(jīng)實現(xiàn)的廣泛應用和潛在應用。介紹了本工作所采用的物理模型和設置的邊界條件，介紹了本次模擬所考慮的粒子種類和粒子間的碰

4、撞反應，給出了具體支配方程，并詳細介紹此次模擬中考慮的邊界條件。給出了模擬工作的相關結果。針對具體實驗參數(shù)進行實時注入鋰粉模擬，展示了鋰雜質的輸運過程，鋰離子的徑向分布、極向分布，以及與背景等離子體的相互作用。最后比較了模擬結果與實驗結果。模擬結果表明:在鋰粉注入過程中，鋰原子迅速電離生成鋰離子，產(chǎn)生的鋰離子主要在托卡馬克邊緣區(qū)域聚集，并隨時間沿極向緩慢擴散。從中平面位置注入鋰粉，鋰離子能夠進入到較深的區(qū)域。同時討論了在鋰粉注入過程中鋰