EAST辅助加热下偏滤器靶板热流分布研究

发布时间：2020-08-13 15:05

【摘要】：高参数长脉冲稳态运行是EAST的主要目标。在高参数稳态运行中,等离子体与器壁尤其是偏滤器长时间的强烈相互作用,使得偏滤器面临高温度、高热流的风险,而偏滤器靶板的温度和热流分布受到加热方式、磁场位形及靶板结构等诸多因素影响,这些因素对偏滤器靶板温度、热流影响的研究不仅有助于物理机制的理解,也为装置的安全运行提供一定的保障,为下一步的工程设计提供一定的参考。本文以红外测温为主要手段,提取温度数据进行分析,并通过DFLUX程序和ANSYS对达到偏滤器靶板的热流进行了计算。研究了射频波和中性束注入(NBI)对上、下偏滤器热流、温度分布的影响,磁场位形对热流峰值和热流分布的影响,以及偏滤器结构不同造成的上、下靶板热流的不对称;计算了高功率运行中Ⅰ型边界局域模(ELMs)给下外、上外靶板带来的高热流;为对比长脉冲运行过程中不同靶板材料的热能传导能力,分析了上、下偏滤器热平衡特征时间。主要研究结果有:1.加热方式影响偏滤器热流分布实验研究。在单独低杂波辅助加热的下单零位形放电中,当ELMs的频率小于50Hz时,ELMs在偏滤器下外靶板上产生了较宽的极向热流分布,其半高全宽是相近条件下低杂波和NBI共同加热时的两倍多。经过大量分析还发现,下单零位形放电中,低杂波功率如果超过1.2MW,在开始工作时常在偏滤器下外靶板产生非常宽的热流分布,而低杂波注入时如果NBI已经在工作,则不会出现,说明NBI会影响低杂波引起的热流分布。当NBI功率较大时,会在偏滤器上外靶板上造成局部的能量沉积。低杂波加热下ELMs时的极向热流分布与ELM-free相比,不但热流值有较大增加,其半高全宽也有较大增长。偏滤器靶板的极向温度/热流分布还与边界局域模频率相关:当ELMs的频率小于50Hz时,以射频波加热为主的偏滤器极向热流/温度分布比NBI为主加热的分布宽;当ELMs的频率在150Hz左右时,则以射频波加热为主的极向热流/温度分布比NBI为主加热的分布窄。对低杂波加热下的H模放电中下外靶板温度/热流分布分析发现环向的不对称性。环向上,在低温区域,随着峰值温度/热流的升高,温度/热流径向分布曲线半高全宽减小得很快;但在高温区域,温度/热流曲线半高全宽并没有随着峰值温度迅速减小,而是变化不太大,高温区的温度是整体升高的,没有在极小的范围内形成极高热流。2.磁场位形影响偏滤器热流分布实验研究。磁场位形影响靶板热流,主要原因是B×%紹的方向。对低杂波辅助加热双零位形放电中偏滤器上外、下外靶板温度分布进行了分析,发现上外靶板温度高于下外靶板,且上外靶板温度分布较宽,下外靶板温度分布较窄,这是磁场位形导致的,但也包括靶板结构和辅助加热的部分影响。对ICRH加热下的下单零、上单零和双零位形放电中偏滤器靶板热流分布分析得到,在上、下靶板材料、结构相同的情况下,外靶板热流大于内靶板,尤其是双零位形下上外靶板峰值热流达到了上内靶板峰值热流的约4倍,上外靶板峰值热流是下外靶板峰值热流的6倍。3.偏滤器结构影响热流、温度的研究。通过TSC对双零位形下破裂时偏滤器靶板的热流进行了数值模拟,结果显示,破裂时偏滤器上外靶板的热流值最高,达到了 7.94MW/m2,是上内靶板热流的1.6倍,是下外靶板的1.33倍,说明了 EAST偏滤器结构不同造成的不对称性。对上、下偏滤器热平衡特征时间进行了对比,分析了超过60s的下单零位形放电,发现石墨偏滤器靶板温度的增长虽然越来越缓慢,但在整个放电中都是在不断地升高,直到辅助加热停止工作;对上单零长脉冲放电过程中ITER-like钨铜偏滤器靶板温度时间演化分析可得,在辅助加热开始约8～13s后靶板温度基本达到准稳态,与石墨偏滤器相比,钨铜偏滤器具有良好的导热性能。4.高功率运行中上、下靶板高脉冲热流研究。在辅助加热功率约4MW的下单零位形放电中,不管是单独射频波还是射频波和NBI共同加热,ELMs都在偏滤器下外靶板上产生了约4MW/m2的瞬时热流。同样是辅助加热功率约4MW的情况,上单零位形放电中ELMs在偏滤器上外靶板产生了约十几MW/m2的脉冲热流,比下外靶板峰值热流大很多,这是由多种原因造成的,包括BX%

本文编号：2792164