杂质注入下的CFETR辐射偏滤器SOLPS模拟研究

发布时间：2020-05-31 04:46

【摘要】：对于未来的聚变托卡马克装置而言,如何排出芯部等离子体聚变产生的大量能量是一个至关重要的问题。中国聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)的聚变功率设计目标将达到1 GW,向CFETR的边界等离子体中注入气体杂质,使其偏滤器运行在辐射偏滤器的工作状态,从而利用杂质辐射排出进入刮削层中的等离子体能流,将会是一种必须采取的技术手段。而在注入杂质后,如何兼顾偏滤器靶板的低热负载与芯部等离子的低杂质浓度是关键问题之一。本文基于二维边界等离子体模拟程序SOLPS系统地开展了 CFETR辐射偏滤器的数值模拟,研究了高辐射份额条件下杂质注入的种类、位置以及不同的偏滤器位形对于偏滤器杂质屏蔽性能的影响。具体包括以下几方面内容。研究工作首先针对常规下单零偏滤器位形开展,在氩杂质注入时,模拟了不同等离子体密度条件下的辐射偏滤器。结果表明,在总辐射功率Prad～170 MW时,在高密度和低密度条件下,内外偏滤器等离子体均可以实现完全脱靶,从而大幅度降低偏滤器靶板的热负载。Matthews实验定标能够较好的拟合模拟数据,得到氩杂质注入下有效电荷数Zeff与电子密度ne及总辐射功率Prad的关系,为进一步的芯部参数优化提供合理的边界条件。除了氩以外,氮、氖也是目前实验中常用的辐射杂质,因此本文进一步研究了三种不同气体杂质注入边界等离子体后,杂质输运及辐射的差别。模拟结果表明,在Prad～170 MW,偏滤器等离子体脱靶时,相同的电子密度下,氮杂质注入会造成最小的芯部燃料稀释。然而,氮与钨的化学反应会增加钨壁中的氚滞留,而氮与氚形成的类氨化合物也会增加氚工厂的负担。在其余的两种惰性气体杂质中,尽管氩的原子序数更高,氩杂质注入却伴随着更低的上游Zeff,这是由于氩原子有着比氖原子更低的电离能,因此更容易在靠近靶板附近的位置电离,进而导致更强的非日冕平衡效应(non-coronal)。因此,本文进一步对Matthews定标提出了一个试探性的修正:Zeff=1+C(Z-1)αPad/ne2-β/(EionD/Eionmp)γ,其中用电离能衡量杂质辐射中非日冕平衡效应的贡献,模拟结果与修正后的定标有相当好的吻合。本文进一步模拟比较了四种不同的充气方案对杂质屏蔽性能的影响,具体包括:从上游充入氘氩混合气体;从外偏滤器充入氘氩混合气体;从内偏滤器充入氘氩混合气体;从上游充入氘气的同时从外偏滤器充入氩气。模拟结果表明,从上游注入氘气时,可以大大增强刮削层内的背景等离子体流,从而得到更好的氩杂质屏蔽效果与更低的上游Zeff。而与注入氘气的位置相比,在相同总辐射功率的情况下,注入氩气的位置对于边界等离子的影响要小得多——此时偏滤器靶板再循环是边界等离子体中最主要的杂质源。本文最后模拟研究了CFETR装置中氩杂质注入下准雪花偏滤器位形中的辐射偏滤器,并将模拟结果与常规的下单零偏滤器位形的结果进行了比较。在高密度的情况下,准雪花偏滤器能在更低的总辐射功率下实现内外偏滤器等离子体的完全脱靶,并且由于其内外偏滤器处等离子体的脱靶程度都更高,表现出了更好的杂质屏蔽效果。而在低密度的情况下,由于我们所使用的准雪花偏滤器位形中外偏滤器磁通展宽增加的幅度远高于内偏滤器,随着总辐射功率的增加,不同于下单零位形下内偏滤器先脱靶,准雪花偏滤器位形下外偏滤器处的等离子体率先脱靶,并且其中的杂质辐射表现出的更强的内外不对称性。模拟结果表明,准雪花偏滤器增加的磁通展宽与连接长度不仅有助于偏滤器等离子体的脱靶,也可以提高等离子体脱靶的程度,因而可以通过抑制杂质的反流而增强偏滤器处的杂质屏蔽。
【图文】：

聚变反应,反应截面,同位素

逦（１．１）逡逑其中ｎ表示中子，而４Ｈｅ即最常见的氦，也就是常说的ａ粒子。这一反应能够产逡逑生１７．６邋ＭｅＶ的能量。图１．１给出了氘l#聚变与其他两种常见的聚变反应截面的逡逑比较。逡逑１0－２１逦．．．．．干？：二｜逦■：．■＿■！邋—逦［逦［邋｜邋ｊ邋｜邋｜逦Ｌ邋Ｉ逦Ｌ逡逑逦—邋一逦ＩＪ邋￣逦二二二二—ｕ－逦一一邋￣邋＂＂逦￣＂邋■逦二二：逡逑ｚｚｍｉ邋ｚｍｍｉ邋ｚｎ邋二二二：：逦—￣￣￣逡逑，ｕ逦ｚ逡逑７逦逡逑逦逦＿＿邋＂Ｘ邋逦：：：逡逑１０－２２邋＝邋＝邋＝邋＝邋＝邋＝邋＝邋１＾＝＝＾邋＝邋＝邋＝邋＾＾逡逑１0￣２３邋＝邋＝邋＝邋＝邋＝＾＾＝＝＝＝＾＾＝＝＝＝＝－－逡逑＝＝＝＝ｌ＝ＥＥ＝Ｅ＝ｐ＾ＥＥ＝ＥＥ邋＝逡逑／逦Ｄ－Ｄ／邋／逡逑ｉｃｔ２４邋＾三三三三三三ｇ逦＾三ｅｅｅ三三三逡逑ｌｐｌｌｐ＾ｐｉｌｌ！＝＝＝＝逡逑ｉ0－５：邋ｔ逡逑ｋｔ２６！／邋Ｉ邋／．ｌ邋１邋ＪＡＵ邋Ｉ逦逦邋１１１１１１逡逑１邋１０邋１００逡逑ｒ（ｋｅＶ）逡逑图１．１氘－氚、氘－氘、氘－氦３三种常见聚变反应的反应截面１１１逡逑作为氘氚聚变反应的两种主要燃料，氘和氚都是氢的同位素。氢是宇宙中含逡逑量最多的元素

示意图,磁约束聚变,发展路线,示意图

２０１５逦２０２０逦２０２５逦２０３０逦２０３Ｓ逦２０４０逦２０４５逦２０５０逦２０５５逦２０６０逡逑图１．２中国磁约束聚变发展路线图Ｍｌ逡逑图１．３是ＣＦＥＴＲ的示意图。ＣＦＥＴＲ的运行预期分两个阶段：阶段一（Ｐｈａｓｅ逡逑Ｉ）的目标是实现氚自持和稳态运行，其聚变功率会达到２００ＭＷ；阶段二（Ｐｈａｓｅ逡逑ＩＩ）则会验证ＤＥＭＯ的可行性，实现超过１邋ＧＷ的聚变功率。ＣＦＥＴＲ的概念设计逡逑已经开展了超过四年的时间【１９，２（）１，其初始的设计参数为大半径７？邋＝邋５．７ｍ，小半径逡逑？＝邋１．６邋ｍ，环向磁场５Ｔ邋＝邋４－５邋Ｔ。然而，对于这样的设计而言，第二阶段的运行逡逑将会需要非常高的等离子体参数，并会给偏滤器与包层的设计带来极大的挑战。逡逑因此，为了在现有的工程技术条件下同时满足Ｐｈａｓｅｌ与Ｐｈａｓｅｌｌ的目标，ＣＦＥＴＲ逡逑又完成了多个版本的概念设计，，其中包括大半径尺＝邋６．６ｍ，小半径《＝邋１．８邋ｍ，逡逑环向磁场＝邋６－７邋Ｔ的版本｜２２】
【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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