边界磁拓扑改变引起的偏滤器热流粒子流三维结构的研究

发布时间：2020-04-24 20:46

【摘要】：偏滤器靶板的高热流粒子流问题一直是托卡马克装置长脉冲稳态高性能运行所需要解决的关键问题之一。EAST在一方面通过升级靶板材料将石墨偏滤器替换为钨铜偏滤器来显著增强靶板热负荷承受能力,以及采用更先进的偏滤器位形来降低靶板的垂直热流;另一方面,通过辐射偏滤器将等离子体的能量以辐射方式排出以降低靶板热负荷,或通过外加扰动场改变边界磁拓扑结构,从而降低靶板区域峰值热流等。一般认为,由低杂波(LHW)或共振磁扰动线圈(RMP)引起的边界磁扰动能够在X点附近形成磁通管直接连接到偏滤器靶板上,从而在原打击点附近产生额外的一个甚至多个粒子沉积区域,从而增加了靶板上等离子体热流粒子流的排出途径,分担原打击点位置的热负荷。本论文的研究成果依托EAST托卡马克装置,主要针对低杂波引起的边界磁扰动对靶板粒子和热流的三维分布的影响,以及低杂波/RMP条件下杂质充气对靶板粒子和热流的三维分布的影响进行研究。具体包含以下内容:(1)系统研究EAST超导托卡马克装置上LHW引起的偏滤器靶板上的三维粒子沉积现象。研究发现主打击点附近的条纹状分布的粒子通量(SPF)在不同安全因子q95条件下对应不同的边界磁力线分布,和磁力线追踪程序所模拟的结果一致。该模拟结果引入了刮削层(SOL)中LHW产生的螺旋状电流丝(HCFs)所引起边界磁扰动。除了L模放电之外,低杂波引起的靶板粒子和热流撕裂现象在H模放电中也同样出现,这对于降低打击点位置的靶板峰值热流和材料腐蚀起到十分重要的作用,同时也是EAST最近实现100 s长脉冲稳态H模的有力保障。(2)靶板上的三维粒子分布受低杂波加热功率,等离子体密度,磁场方向等参数影响。统计结果表明,三维的靶板打击点撕裂现象出现一般和低杂波的功率阈值有关(PLHW～0.9 MW)。上外靶板的次打击点与主打击点粒子通量之比Γion,SHF/Γion,OSP随着低杂波功率的增加而上升。在等离子体密度到达脱靶阈值附近时,外靶板打击点附近的粒子通量降低,但是次打击点的粒子通量却持续上升,这一点和其他装置上的RMP条件下的等离子体脱靶实验结果有所不同。另外,在顺场和反场条件下,低杂波加热对内靶板和外靶板的三维粒子分布也呈现出内外不对称性的现象。(3)在LHW或RMP引起的三维磁扰动条件下,进一步研究了杂质注入对于主动控制W偏滤器靶板上的热流和粒子通量的影响,以及靶板W材料的腐蚀问题。通过EAST上的neon杂质注入实验,发现其对于主动控制靶板3D粒子流和热流具有重要的意义。在LHW条件下,neon杂质注入能显著降低主打击点处的热流和粒子流,同时能够影响到远SOL的撕裂带处的三维粒子分布。(4)在RMP条件下neon杂质注入同样能够影响SPF的三维粒子沉积。通过适量的neon杂质注入或实时锂粉注入,能够有效降低靶板附近的电子温度,从而抑制靶板表面的W杂质溅射,有利于托卡马克装置的长脉冲稳态运行。同时,如果注入极少量的neon,由于靶板附近电子温度未被充分降低(一般是降低到溅射阈值以下),从而使得靶板W杂质溅射反而有所上升。本论文所进行的部分工作不仅提供了 LHW引起的边界三维粒子沉积的直接证据(以及模拟验证)和LHW条件下不同等离子体参数对靶板三维粒子分布的影响,同时还探究了LHW/RMP引起的边界磁扰动条件下,结合杂质注入对偏滤器靶板上的三维热流和粒子流分布的影响。这对于未来聚变装置上的偏滤器靶板热流和粒子流控制具有重要意义。
【图文】：

量各不相同，其反应截面也不一样。反应截面代表目标材料与入射粒子之间发生逡逑聚变反应概率的物理量［５］。比较典型的几种聚变反应为例，其反应截面与粒子逡逑能量对应关系见图１．１邋［５］。逡逑１０逦Ｊ邋－４邋４４１逦ｌ邋Ｉ邋＾＋１逡逑１邋＾￡邋＝邋５￥｜＾￡逦ｒ逡逑逦１－邋＝邋＝邋７Ｓ邋—ｔ逦：：－邋＝邋２邋Ｅ邋！邋Ｈ逡逑：／：邋／／ＴＶ邋．逡逑ｉｌｉｎＳ逡逑ｉ１０邋ｌｎＢ｜Ｌ！ｐｔｏＭ邋ｉＬ逦Ｕ邋ｒ＾ｍｋｔ逡逑Ｉ？＊逦：逦‘邋ｔｆ逦N以逡逑ｒｆ邋ｉＢｌｉＦ逡逑１逦１０逦１００逦１０００逦１０４ＫＷ逡逑ｌｎｃｉｔｆ＊ｎｌ邋Ｐａｒｔｉｄ＊邋Ｋｉｎ？ｔｉｃ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋（ｋ？Ｖ）逡逑图１．１典型的几种聚变反应的反应截面与粒子动能关系图逡逑由图可知，氘氚反应的最大反应截面所对应的粒子能量阈值在所有聚变反应逡逑中最低，且该反应截面也是最大，，因而从可行性来分析，是目前理论上最容易实逡逑现的。这一反应过程示意图如图１．２所示［５］。逡逑２逡逑

量各不相同，其反应截面也不一样。反应截面代表目标材料与入射粒子之间发生逡逑聚变反应概率的物理量［５］。比较典型的几种聚变反应为例，其反应截面与粒子逡逑能量对应关系见图１．１邋［５］。逡逑１０逦Ｊ邋－４邋４４１逦ｌ邋Ｉ邋＾＋１逡逑１邋＾￡邋＝邋５￥｜＾￡逦ｒ逡逑逦１－邋＝邋＝邋７Ｓ邋—ｔ逦：：－邋＝邋２邋Ｅ邋！邋Ｈ逡逑：／：邋／／ＴＶ邋．逡逑ｉｌｉｎＳ逡逑ｉ１０邋ｌｎＢ｜Ｌ！ｐｔｏＭ邋ｉＬ逦Ｕ邋ｒ＾ｍｋｔ逡逑Ｉ？＊逦：逦‘邋ｔｆ逦N以逡逑ｒｆ邋ｉＢｌｉＦ逡逑１逦１０逦１００逦１０００逦１０４ＫＷ逡逑ｌｎｃｉｔｆ＊ｎｌ邋Ｐａｒｔｉｄ＊邋Ｋｉｎ？ｔｉｃ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋（ｋ？Ｖ）逡逑图１．１典型的几种聚变反应的反应截面与粒子动能关系图逡逑由图可知，氘氚反应的最大反应截面所对应的粒子能量阈值在所有聚变反应逡逑中最低，且该反应截面也是最大，因而从可行性来分析，是目前理论上最容易实逡逑现的。这一反应过程示意图如图１．２所示［５］。逡逑２逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL631.24

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本文编号：2639380