EAST偏濾器靶板能流粒子流不對(duì)稱(chēng)性SOLPS模擬研究.pdf

1、偏濾器靶板能流和粒子流不對(duì)稱(chēng)性的理解對(duì)于未來(lái)聚變裝置高功率長(zhǎng)脈沖穩(wěn)態(tài)放電非常重要(例如ITER，CFETR)，它將影響偏濾器脫靶、能流以及粒子流控制。數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)表明了漂移是導(dǎo)致偏濾器靶板能流粒子流不對(duì)稱(chēng)性的主要因素。但是，漂移（電漂移和反磁漂移）誘導(dǎo)偏濾器靶板能流粒子流不對(duì)稱(chēng)的物理機(jī)制仍然不清楚，尚存在爭(zhēng)議。一些學(xué)者研究結(jié)果表明極向電漂移是誘導(dǎo)偏濾器能流粒子流內(nèi)外不對(duì)稱(chēng)性的主要原因;相反，另外一些學(xué)者的研究結(jié)果表明徑向電漂移

2、是誘導(dǎo)偏濾器能流粒子流內(nèi)外不對(duì)稱(chēng)性的主要原因。國(guó)內(nèi)重要的聚變裝置EAST放電實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了偏濾器內(nèi)外不對(duì)稱(chēng)性隨上游等離子體密度提高而增強(qiáng)，然而一些學(xué)者針對(duì)EAST放電實(shí)驗(yàn)的SOLPS模擬研究顯示漂移并沒(méi)有引起明顯的偏濾器內(nèi)外不對(duì)稱(chēng)性，其具體的原因仍然不清楚。另外，偏濾器區(qū)能流粒子流不對(duì)稱(chēng)輸運(yùn)也將影響雜質(zhì)粒子輸運(yùn)，導(dǎo)致偏濾器區(qū)雜質(zhì)粒子不對(duì)稱(chēng)分布，從而使得雜質(zhì)更容易通過(guò)密度擴(kuò)散滲透進(jìn)入芯部等離子體區(qū)，輻射掉大量芯部能量，影響放電性能。針對(duì)以上存

3、在的問(wèn)題，本論文應(yīng)用大型二維邊界等離子體流體程序SOLPS對(duì)EAST托卡馬克偏濾器靶板能流粒子流內(nèi)外/上下不對(duì)稱(chēng)性開(kāi)展數(shù)值模擬研究。
　　本論文第一章介紹了本工作研究背景和意義。第二章介紹了基本托卡馬克偏濾器等離子體物理，以及SOLPS程序和基本模型。第三章系統(tǒng)研究了在不同的放電狀態(tài)（低再循環(huán)，高再循環(huán)以及部分脫靶）下和不同的放電模式（低約束和高約束）下不同電漂移分量（極向電漂移和徑向電漂移分量）對(duì)偏濾器不對(duì)稱(chēng)的影響。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)

4、在低約束部分脫靶狀態(tài)下徑向電漂移是偏濾器不對(duì)稱(chēng)性的主要因素;在高約束高再循環(huán)狀態(tài)下極向電漂移起主要的作用;然而，在高約束部分脫靶狀態(tài)下徑向電漂移與極向電漂移同時(shí)起重要的作用，二者協(xié)同作用可以導(dǎo)致偏濾器靶板能流粒子流內(nèi)外不對(duì)稱(chēng)性更加明顯。該研究結(jié)果很好地解決了其他學(xué)者對(duì)不同電漂移分量在誘導(dǎo)偏濾器能流粒子流內(nèi)外不對(duì)稱(chēng)過(guò)程中起主要作用的爭(zhēng)議。模擬結(jié)果也表明徑向與極向電漂移流的協(xié)同作用會(huì)使額外的極向電漂移流沿著私有通量區(qū)拖拽更多的碳雜質(zhì)粒子從外

5、偏濾器區(qū)流向內(nèi)偏濾器區(qū);相反，單獨(dú)的電漂移分量對(duì)雜質(zhì)輸運(yùn)的影響很小，特別是徑向電漂移。此外，本章也研究了氣球模輸運(yùn)對(duì)偏濾器內(nèi)外不對(duì)稱(chēng)性的影響。模擬結(jié)果表明除漂移外，氣球模輸運(yùn)也是誘導(dǎo)偏濾器能流粒子流內(nèi)外不對(duì)稱(chēng)性的一種重要因素，二者協(xié)同作用使得偏濾器靶板能流粒子流不對(duì)稱(chēng)性變的更加明顯。
　　第四章研究了放電等離子體密度對(duì)漂移誘導(dǎo)偏濾器內(nèi)外不對(duì)稱(chēng)性的影響。模擬結(jié)果顯示在低密度情況下漂移誘導(dǎo)偏濾器不對(duì)稱(chēng)性不明顯，而隨著上游等離子體密度的

6、升高，偏濾器靶板能流粒子流內(nèi)外不對(duì)稱(chēng)性越來(lái)越明顯，該模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)診斷結(jié)果很吻合，其主要的原因是:(1)漂移誘導(dǎo)刮削層等離子體密度重新分布，并且導(dǎo)致上游高低場(chǎng)區(qū)的等離子體密度不對(duì)稱(chēng)，而上游高低場(chǎng)刮削層等離子體密度的不對(duì)稱(chēng)將影響偏濾器能流粒子流內(nèi)外不對(duì)稱(chēng);(2)在不同的放電等離子體密度條件下上游區(qū)與偏濾器靶板區(qū)等離子體密度之間的關(guān)系完全不同，即:低密度（鞘層限制狀態(tài)）條件下二者呈線性關(guān)系，而在高密度（高再循環(huán)放電狀態(tài)）條件下二者呈指數(shù)關(guān)系

7、;(3)上游等離子體密度也能夠影響刮削層極向流管中的電子溫度梯度和電子靜態(tài)壓強(qiáng)梯度，從而影響徑向電漂移速度。
　　第五章研究了在注入Ar雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)偏濾器脫靶過(guò)程中漂移對(duì)脫靶以及雜質(zhì)輸運(yùn)的影響。研究結(jié)果表明上外和下外偏濾器脫靶的順序主要取決于漂移，而不是噴氣口的位置。該模擬結(jié)果與EAST實(shí)驗(yàn)診斷結(jié)果定性一致，其主要原因是漂移通過(guò)重新分布或者反轉(zhuǎn)背景等離子體流驅(qū)動(dòng)更多的粒子流進(jìn)入上偏濾器區(qū)。另外，模擬結(jié)果表明氬雜質(zhì)輸運(yùn)主要取決于背景等離