基于SOLPS的CFETR雪花偏濾器的數(shù)值模擬.pdf

1、中國(guó)工程聚變實(shí)驗(yàn)堆(China Fusion Engineering Test Reactor)目前正處于工程概念設(shè)計(jì)階段，其目標(biāo)是與ITER的目標(biāo)形成互補(bǔ)，驗(yàn)證聚變堆的工程可行性，因此CFETR的關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)為:(1)聚變功率50～200MW;(2)工作時(shí)間比(duty time)為百分之三十至百分之五十;(3)實(shí)現(xiàn)氚自持(氚增殖比達(dá)到1.2)。CFETR的工程概念設(shè)計(jì)基于ITER的部分工程和物理設(shè)計(jì)開(kāi)展，其中偏濾器的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為ITE

2、R所采用的標(biāo)準(zhǔn)下單零位形(即ITER-like)，除此之外，考慮到未來(lái)聚變堆中所面臨的更嚴(yán)苛的偏濾器熱負(fù)荷能力的要求，特別增加了極向場(chǎng)線圈用于生成近期提出的引入額外X點(diǎn)的雪花偏濾器位形及Super-X位形。本論文的主要工作是基于SOLPS開(kāi)展雪花偏濾器的數(shù)值模擬，明確目前的設(shè)計(jì)是否能夠滿足10 MW/m2的偏濾器靶板熱負(fù)荷的工程限制以及偏濾器對(duì)輻射雜質(zhì)的約束能力，并為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供基礎(chǔ)。
　　與偏濾器運(yùn)行狀態(tài)聯(lián)系最為緊密的

3、等離子體參數(shù)為等離子體密度，隨著密度的升高，偏濾器將會(huì)經(jīng)歷低再循環(huán)、高在循環(huán)以及脫靶三種運(yùn)行模式。在本論文的工作中，我們基于主室內(nèi)氘的充氣速度開(kāi)展了密度掃描的模擬，以完整的獲得雪花偏濾器的隨密度增加時(shí)運(yùn)行模式演化的情況，給出合適的運(yùn)行范圍。另一方面是對(duì)輻射雜質(zhì)的考慮，基于ITER的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在不考慮氚滯等問(wèn)題時(shí)，CFC偏濾器本身的濺射的C雜質(zhì)可以提供足夠的雜質(zhì)輻射以降低偏濾器靶板的峰值熱負(fù)荷。為了更加高效的開(kāi)展CFETR偏濾器的設(shè)計(jì)工作

4、，本論文中仍然以C作為輻射雜質(zhì)作為未來(lái)W偏濾器中充入輻射雜質(zhì)（如N、Ne、Ar等）的代替，計(jì)算結(jié)果也將作為未來(lái)輻射雜質(zhì)所需達(dá)到效果的判斷基準(zhǔn)。目前的計(jì)算中為了避免充氣位置選擇帶來(lái)的不確定性，計(jì)算中假定偏濾器靶板材料為C從而自然的引入C雜質(zhì)。模擬的結(jié)果表明隨著密度的增加，特別是偏濾器在完全脫靶之后，C雜質(zhì)更容易穿過(guò)X點(diǎn)進(jìn)入芯部，在此之前C雜質(zhì)在芯區(qū)和刮削層所占的比例低于1.5％。因此由于雜質(zhì)約束性能的需求，偏濾器最多只能運(yùn)行在部分脫靶狀態(tài)

5、（與ITER所要求的運(yùn)行范圍一致），因此對(duì)于主室氘充氣速度的上限給出限制。
　　基于SOLPS的模擬計(jì)算，我們獲得了CFETR雪花偏濾器隨著充氣速度上升偏濾器運(yùn)行狀態(tài)完整的演化圖像，并基于靶板峰值熱負(fù)荷的工程限制以及對(duì)C約束能力的綜合考慮，給出了目前偏濾器的最佳運(yùn)行區(qū)間所對(duì)應(yīng)的充氣速度為1～3×1023S-1，此時(shí)內(nèi)偏濾器處于部分脫靶狀態(tài)，外偏濾器則可能處于高再循環(huán)或者部分脫靶狀態(tài)。更進(jìn)一步的物理和工程優(yōu)化將基于目前的計(jì)算結(jié)果展開(kāi)