Ne/Ar注入条件下的EAST辐射偏滤器实验和模拟研究
发布时间：2021-03-31 01:48
托卡马克装置是探索实现磁约束核聚变的重要装置,随着托卡马克中功率的不断提升,来自上游等离子体作用在偏滤器靶板的热流将远超目前偏滤器靶板能够承受的最大热负荷,因此能量排除（power exhaust）问题成为实现核聚变最关键的问题之一。主动地引入惰性杂质气体,通过电离和电荷交换引起偏滤器和刮削层的辐射上涨,即采用辐射偏滤器运行模式,可以有效地降低偏滤器靶板上的热流和粒子流。本论文通过实验和数值模拟的方法,依托于EAST全超导托卡马克装置,全面系统地对注入Ne/Ar情形下的辐射偏滤器等离子体展开研究。本文的研究结果可以为EAST长脉冲高参数稳态运行目标的实现和ITER和CFETR等未来核聚变装置中的辐射偏滤器运行积累经验和提供参考。本论文首先介绍了辐射偏滤器研究相关的理论和模型。辐射偏滤器等离子体中包括了复杂的等离子体和原子分子物理过程,通过简单的一维模型“两点模型”和等离子体鞘层理论,可以基本了解等离子体的基本状态和脱靶机制;反常输运的相关理论可以解释部分等离子体边界垂直输运,同时对于理解SOLPS软件（Scrape-Off Layer Plasma Simulation）计算模型也有帮...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１氘氚核聚变反应示意图
合反应生成新的较大的原子和核内粒子（质子或中子），同时释放大量能量的过??程。氘氚反应由于其聚变反应截面大，氢同位素之间库仑力最小，因此被视为最??容易实现的核聚变反应Ｗ。其反应过程如图１．１?（氘氚核聚变反应）所示，在每一??次反应过程中，一个氘核和氚核会产生一个氦核和中子，同时释放出大量的能量。??理论上每一千克的氘氚将产生６．０Ｘ?１０７ｋＷｈ的能量，两倍多于同等质量的Ｕ２３５??核裂变反应（２．２Ｘ１０７ｋＷｈ）和数百万倍于完全燃烧同等质量的煤所释放的能量??（ｌＯｋＷｈ）。然而实现核聚变的条件却十分苛刻，这是由于核聚变反应必须克服核??子之间强大的库仑力，通常需要在极高温高压条件下才能发生反应。１９５７年英??国科学家Ｊ．?Ｄ．?Ｌａｗｓｏｎ提出了维持核聚变反应中能量平衡的条件，即Ｌａｗｓｏｎ判??据［２１。根据Ｌａｗｓｏｎ判据，氘氚核聚变反应只有在满足以下条件下才能进行：??ｎＴｔＥ?＞?３．０?ｘ?１０２１?ｍ－３?ｋｅＶｓ?（１．１．１）??其中《和７指的是燃料密度和温度，灯指的是能量约束时间。我们可以看出，实??现聚变的条件非常严苛
这些都显示了磁约束核聚变和托卡马克装置实验研究的蓬勃发展。??１．２．２托卡马克原理简介??参见图１．２，托卡马克装置主要包括真空室、极向磁场线圈和环向磁场线圈??等。如图１．３［２３］所示，环绕在真空室外部的环向磁场线圈会产生环向磁场忍？将??等离子体态的燃料限制在环形真空室的内部，然而由于受到电场五ＸＢ漂移作用，??等离子体中的离子会向外运动扩张，因此单一的环向磁场无法有效地约束等离子??体。为了平衡磁压力，需要引入极向磁场极向磁场可以由等离子体电流各??产生。因此环向磁场和极向磁场的叠加形成的磁场可以使得等离子体在约束??的环形空间内部不断旋转，做拉莫尔回旋运动［２４］。??Ｃ〇ｎ？ｔ？ｎｌ?Ｅｉ＾ｃｉｎｃ?Ｃｕｒｒｅｎｔ??Ｗ?Ｔｒａｎ？ｔ？ｎｔ??ＴｏｉＯ＾ＭＵ?Ｆ？＾＜！?Ｔｒ？ｎ？．？ｎｌ??Ｃｏｎｆｔｔｆｔｎｌ?Ｔ〇ｆａ？４ａｉ?／?Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ?Ｐ〇Ｋ＞＊ｄ？ｉ??Ｔｒ？ｎ？？＃ｎｉ?Ｐｉａｉｍ＊?Ｃｕｒｒｅｎｔ??图１．３托卡马克装置中磁场和电流示意图。??从左至右分别为环向磁场、极向磁场、以及叠加磁场示意图。??从磁场极向的截面看（图１．４［２５］），磁场由一个个层层嵌套的磁面组成。对于??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]EAST全超导托卡马克高约束稳态运行实验研究进展[J]. 万宝年,徐国盛. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2019(04)
[2]Influence of impurity seeding on the plasma radiation in the EAST tokamak[J]. 董丽平,段艳敏,陈开云,杨秀达,张凌,徐峰,陈竞博,毛松涛,吴振伟,胡立群. Plasma Science and Technology. 2018(06)
[3]Radiative divertor behavior and physics in Ar seeded plasma on EAST[J]. 陈竞博,段艳敏,杨钟时,王亮,吴凯,李克栋,丁芳,毛红敏,许吉禅,高伟,张凌,吴金华,罗广南,EAST Team. Chinese Physics B. 2017(09)
[4]Realization of minute-long steady-state H-mode discharges on EAST[J]. 龚先祖,万宝年,李建刚,钱金平,李二众,刘甫坤,赵燕平,王茂,徐旵东,A M GAROFALO,Annika EKEDAH,丁斯晔,黄娟,张凌,臧庆,刘海庆,曾龙,林士耀,沈飙,张斌,邵林明,肖炳甲,胡建生,胡纯栋,胡立群,王亮,孙有文,徐国盛,梁云峰,项农. Plasma Science and Technology. 2017(03)
[5]极紫外波段Ar光谱分析在EAST偏滤器杂质屏蔽效应研究中的应用[J]. 张鹏飞,张凌,许棕,段艳敏,吴承瑞,黄娟,吴振伟,郭后扬,胡立群. 光谱学与光谱分析. 2016(07)
[6]Overview of Development Status for EAST-NBI System[J]. 胡纯栋,谢亚红,谢远来,刘胜,许永建,梁立振,蒋才超,盛鹏,顾玉明,李军,刘智民. Plasma Science and Technology. 2015(10)
[7]EAST超导托卡马克[J]. 万宝年,徐国盛. 科学通报. 2015(23)
[8]HL-2A装置超声分子束注入缓解偏滤器靶板上边缘局域模热通量研究[J]. 高金明,程钧,严龙文,李伟,聂林,冯北滨,陈程远,卢杰,易萍,季小全,周艳,刘仪,杨青巍. 核聚变与等离子体物理. 2015(01)
[9]金属膜电阻型辐射热探测器在EAST上的应用[J]. 杜薇,段艳敏,胡立群,毛松涛,徐立清,席莹. 核电子学与探测技术. 2013(05)
[10]Measurement of Radiated Power Loss on EAST[J]. 段艳敏,胡立群,毛松涛,许平,陈开云,林士耀,钟国强,张继宗,张凌,王亮. Plasma Science and Technology. 2011(05)
博士论文
[1]托卡马克边界杂质输运相关研究[D]. 张鹏飞.中国科学技术大学 2018
[2]EAST偏滤器靶板能流粒子流不对称性SOLPS模拟研究[D]. 杜海龙.大连理工大学 2017
[3]EAST偏滤器物理及杂质注入行为研究[D]. 王东升.中国科学技术大学 2012
本文编号：3110539
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１氘氚核聚变反应示意图
合反应生成新的较大的原子和核内粒子（质子或中子），同时释放大量能量的过??程。氘氚反应由于其聚变反应截面大，氢同位素之间库仑力最小，因此被视为最??容易实现的核聚变反应Ｗ。其反应过程如图１．１?（氘氚核聚变反应）所示，在每一??次反应过程中，一个氘核和氚核会产生一个氦核和中子，同时释放出大量的能量。??理论上每一千克的氘氚将产生６．０Ｘ?１０７ｋＷｈ的能量，两倍多于同等质量的Ｕ２３５??核裂变反应（２．２Ｘ１０７ｋＷｈ）和数百万倍于完全燃烧同等质量的煤所释放的能量??（ｌＯｋＷｈ）。然而实现核聚变的条件却十分苛刻，这是由于核聚变反应必须克服核??子之间强大的库仑力，通常需要在极高温高压条件下才能发生反应。１９５７年英??国科学家Ｊ．?Ｄ．?Ｌａｗｓｏｎ提出了维持核聚变反应中能量平衡的条件，即Ｌａｗｓｏｎ判??据［２１。根据Ｌａｗｓｏｎ判据，氘氚核聚变反应只有在满足以下条件下才能进行：??ｎＴｔＥ?＞?３．０?ｘ?１０２１?ｍ－３?ｋｅＶｓ?（１．１．１）??其中《和７指的是燃料密度和温度，灯指的是能量约束时间。我们可以看出，实??现聚变的条件非常严苛
这些都显示了磁约束核聚变和托卡马克装置实验研究的蓬勃发展。??１．２．２托卡马克原理简介??参见图１．２，托卡马克装置主要包括真空室、极向磁场线圈和环向磁场线圈??等。如图１．３［２３］所示，环绕在真空室外部的环向磁场线圈会产生环向磁场忍？将??等离子体态的燃料限制在环形真空室的内部，然而由于受到电场五ＸＢ漂移作用，??等离子体中的离子会向外运动扩张，因此单一的环向磁场无法有效地约束等离子??体。为了平衡磁压力，需要引入极向磁场极向磁场可以由等离子体电流各??产生。因此环向磁场和极向磁场的叠加形成的磁场可以使得等离子体在约束??的环形空间内部不断旋转，做拉莫尔回旋运动［２４］。??Ｃ〇ｎ？ｔ？ｎｌ?Ｅｉ＾ｃｉｎｃ?Ｃｕｒｒｅｎｔ??Ｗ?Ｔｒａｎ？ｔ？ｎｔ??ＴｏｉＯ＾ＭＵ?Ｆ？＾＜！?Ｔｒ？ｎ？．？ｎｌ??Ｃｏｎｆｔｔｆｔｎｌ?Ｔ〇ｆａ？４ａｉ?／?Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ?Ｐ〇Ｋ＞＊ｄ？ｉ??Ｔｒ？ｎ？？＃ｎｉ?Ｐｉａｉｍ＊?Ｃｕｒｒｅｎｔ??图１．３托卡马克装置中磁场和电流示意图。??从左至右分别为环向磁场、极向磁场、以及叠加磁场示意图。??从磁场极向的截面看（图１．４［２５］），磁场由一个个层层嵌套的磁面组成。对于??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]EAST全超导托卡马克高约束稳态运行实验研究进展[J]. 万宝年,徐国盛. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2019(04)
[2]Influence of impurity seeding on the plasma radiation in the EAST tokamak[J]. 董丽平,段艳敏,陈开云,杨秀达,张凌,徐峰,陈竞博,毛松涛,吴振伟,胡立群. Plasma Science and Technology. 2018(06)
[3]Radiative divertor behavior and physics in Ar seeded plasma on EAST[J]. 陈竞博,段艳敏,杨钟时,王亮,吴凯,李克栋,丁芳,毛红敏,许吉禅,高伟,张凌,吴金华,罗广南,EAST Team. Chinese Physics B. 2017(09)
[4]Realization of minute-long steady-state H-mode discharges on EAST[J]. 龚先祖,万宝年,李建刚,钱金平,李二众,刘甫坤,赵燕平,王茂,徐旵东,A M GAROFALO,Annika EKEDAH,丁斯晔,黄娟,张凌,臧庆,刘海庆,曾龙,林士耀,沈飙,张斌,邵林明,肖炳甲,胡建生,胡纯栋,胡立群,王亮,孙有文,徐国盛,梁云峰,项农. Plasma Science and Technology. 2017(03)
[5]极紫外波段Ar光谱分析在EAST偏滤器杂质屏蔽效应研究中的应用[J]. 张鹏飞,张凌,许棕,段艳敏,吴承瑞,黄娟,吴振伟,郭后扬,胡立群. 光谱学与光谱分析. 2016(07)
[6]Overview of Development Status for EAST-NBI System[J]. 胡纯栋,谢亚红,谢远来,刘胜,许永建,梁立振,蒋才超,盛鹏,顾玉明,李军,刘智民. Plasma Science and Technology. 2015(10)
[7]EAST超导托卡马克[J]. 万宝年,徐国盛. 科学通报. 2015(23)
[8]HL-2A装置超声分子束注入缓解偏滤器靶板上边缘局域模热通量研究[J]. 高金明,程钧,严龙文,李伟,聂林,冯北滨,陈程远,卢杰,易萍,季小全,周艳,刘仪,杨青巍. 核聚变与等离子体物理. 2015(01)
[9]金属膜电阻型辐射热探测器在EAST上的应用[J]. 杜薇,段艳敏,胡立群,毛松涛,徐立清,席莹. 核电子学与探测技术. 2013(05)
[10]Measurement of Radiated Power Loss on EAST[J]. 段艳敏,胡立群,毛松涛,许平,陈开云,林士耀,钟国强,张继宗,张凌,王亮. Plasma Science and Technology. 2011(05)
博士论文
[1]托卡马克边界杂质输运相关研究[D]. 张鹏飞.中国科学技术大学 2018
[2]EAST偏滤器靶板能流粒子流不对称性SOLPS模拟研究[D]. 杜海龙.大连理工大学 2017
[3]EAST偏滤器物理及杂质注入行为研究[D]. 王东升.中国科学技术大学 2012
本文编号：3110539
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