托卡马克边缘等离子体中锂杂质输运模拟研究

发布时间：2020-06-06 18:39

【摘要】：人类的生存和发展离不开能源。但地球上现有的煤炭、石油等化石能源日益枯竭,核裂变能存在着核废料处理困难运行存在潜在安全等问题,因此亟需开发新能源。磁约束核聚变具有原料储量丰富、反应可控、清洁无污染等优点,日益引起人们的重视,被认为是解决人类能源问题的终极方案。但要实现可控核聚变人们面临着诸多挑战,随着等离子体参数的提高,放电时间的增长,托卡马克中等离子体与面壁相互作用问题日益严重,找寻合适的壁材料以及合理的壁处理方法是实现聚变的关键。近年来研究发现锂作为聚变材料具有诸多潜在优势。许多实验表明通过引入锂可以有效降低芯部杂质浓度,延长等离子体约束时间,有效降低ELMs,减小偏滤器靶板处的能流。特别是最近在EAST上还发现注入锂粉可获得长脉冲新型稳态高约束模式。尽管大量实验均表明经过锂壁处理的托卡马克装置具有诸多优点,但关于锂杂质是如何在边缘等离子体中输运,锂杂质和背景等离子体是如何相互作用的,这其中的物理机制仍不清楚。因此,迫切需要开展锂杂质在边缘等离子体中的输运,以及对背景等离子体作用的研究。本文基于大型边缘等离子体流体模拟程序BOUT++开发锂杂质输运模块,利用该模块模拟在EAST放电过程中从上偏滤器位置实时注入锂粉,模拟锂杂质在边缘等离子体中的输运以及与背景等离子体相互作用。在第一章中主要介绍了与本文相关的物理背景和现实意义,并引出了开展本项工作的重要性,重点阐述了锂作为一种聚变材料已经实现的广泛应用和潜在应用。第二章介绍了本工作所采用的物理模型和设置的边界条件,介绍了本次模拟所考虑的粒子种类和粒子间的碰撞反应,给出了具体支配方程,并详细介绍此次模拟中考虑的边界条件。第三章给出了模拟工作的相关结果。针对具体实验参数进行实时注入锂粉模拟,展示了锂杂质的输运过程,锂离子的径向分布、极向分布,以及与背景等离子体的相互作用。最后比较了模拟结果与实验结果。模拟结果表明：在锂粉注入过程中,锂原子迅速电离生成锂离子,产生的锂离子主要在托卡马克边缘区域聚集,并随时间沿极向缓慢扩散。从中平面位置注入锂粉,锂离子能够进入到较深的区域。同时本文讨论了在锂粉注入过程中锂离子与背景等离子体的相互作用,给出了背景等离子体的密度分布,其中两者的碰撞摩擦力起到了主要作用。最后对比实验结果发现定性符合,验证了模拟的可靠性。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL631.24;O53

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本文编号：2700096