EAST边界层和偏滤器等离子体的数值模拟研究

发布时间：2020-11-21 23:57

　　 偏滤器靶板热负荷是关系到未来聚变堆稳态运行的一个重要问题。偏滤器靶板的热负荷由边界等离子体的行为决定。边界等离子体的数值模拟可以更好地理解边界等离子体行为,从而可以更加深入地研究偏滤器靶板热负荷问题。等离子体/中性粒子流体输运程序SOLPS是一个被广泛用于托卡马克边界等离子体(包括最外层闭合磁面之内的部分区域,刮削层(SOL)以及偏滤器区域)模拟的程序包。由于SOLPS中的粒子输运系数Dr,电子热输运系数χe和离子热输运系数χi是由人为设定的,由此对SOLPS的模拟计算会带来一定的不确定性。而包含有六场双流体模型的三维湍流输运程序BOUT++通过对于湍流的模拟可以获得粒子输运系数,电子热输运系数和离子热输运系数。因此我们考虑将输运程序SOLPS的最新版本SOLPS-ITER与BOUT++程序中的六场双流体模型进行耦合。SOLPS-ITER为BOUT++提供密度,电子温度以及离子温度的背景分布,BOUT++为SOLPS-ITER提供相应的输运系数。耦合迭代过程中两个程序在各自的时间尺度上演化。随着迭代次数的增加,相邻两次迭代之间的分布差异变得越来越小,两个程序之间的耦合趋向于准稳态。SOLPS-ITER/BOUT++耦合首先应用于EAST边界层和偏滤器等离子体的模拟研究。作为耦合模拟的具体应用和实例,我们使用EAST#56129放电t=5.55s时的下单零平衡位型为两个程序提供网格文件。计算模拟的区域为从ψN=0.85到ψN=1.05。两个程序的网格数为200× 64。在不同的迭代次数,密度、离子温度和电子温度的径向分布呈现出一定的振荡。经过八次到九次迭代后,密度、离子温度和电子温度相邻两次的分布随迭代次数的增加而呈现越来越小的差异。这意味着迭代过程趋近于准稳态。验证了SOLPS-ITER/BOUT++耦合的收敛性。为了验证 SOLPS-ITER/BOUT++耦合的有效性,利用 SOLPS-ITER/BOUT++耦合模拟得到的EAST#36780放电t=3.4s偏滤器靶板等离子体温度、密度、粒子流和热流分布被用来与Langmuir探针的实验测量结果进行了比较。计算模拟区域为从ψN=0.9到ψN=1.03,使用的网格数为132×64。两个程序经过17次迭代之后,密度与温度两个连续分布之间的变化率小于1%,同时输运系数的变化率也呈现出越来越小的趋势,表明两个程序的耦合趋于准稳态。SOLPS-ITER/BOUT++耦合模拟的EAST偏滤器靶板的电子密度,温度,粒子流f,热流P以及离子饱和流jsat的分布,在考虑测量误差的情况下,耦合模拟结果与实验测量有比较好的符合。SOLPS和BOUT++有独立的网格生成工具,为了更准确地研究SOLPS与BOUT++的耦合问题,我们利用SOLPS的计算网格代替BOUT++的计算网格,从而使模拟网格保持完全一致。我们发现BOUT++程序利用SOLPS网格计算得到的密度和温度在中平面处的分布与利用BOUT++网格的密度和温度分布非常接近。SOLPS网格与BOUT++网格在偏滤器区域的分布存在一定的差异,使得利用SOLPS网格得到的密度和温度分布与利用BOUT++网格得到的密度和温度分布在偏滤器靶板处存在一定的差异。BOUT++利用SOLPS网格计算得到的输运系数对于SOLPS程序的模拟计算结果有比较小的影响。利用共同的SOLPS网格对于SOLPS/BOUT++耦合模拟具有重要意义。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TL631.24
【部分图文】：

?第１章绪论???１?＾?＾?ｒ?ｒ?Ｉ?Ｗ?｜?１?｜?ｔ?＼?＾?Ｉ?ｒ?ｒ?ｆ?＾???ｌ＾ｒ?“??（?７〇＾??（ｍ２）?■?／?Ｄ－Ｄ／／??刀＇??ＫＴ３＇?ｆ?／?０－１１６５?￣??ｊ〇￣３２?ｉ?ｉ?亀，ｉ／ｉ？ｌ?Ｉ?ｉ?ｔ?／ｉ?＞?§?ｉ?ｉ?ｔｌ?ｉ?ｉ??１?１０?１００?１０００??Ｄｅｕｔｅｒｏｎ?ｅｎｅｒｇｙ?（ｋｅＶ）??图１．１?Ｄ－Ｔ，?Ｄ－Ｄ，?Ｄ－３Ｈｅ反应的聚变截面，取自文献［３］。??对实际反应堆来说，通过热传导和对流方式的损失是最大的能量损失。而聚??变反应要达到自持，而且还要有能量的输出，就需要满足一定的条件。１９５７年，??英国科学家劳森计算了高温聚变等离子体的能量平衡关系，导出了使得热核聚变??反应堆的聚变反应能够自持的条件：等离子体的密度与约束时间的乘积要大于某??一定值，即劳森判据［４］：??ｎＴ＞?卯—＂）??（１．２）??ｊｊ／（＼－ｒｊ）＾ｃｒｖ）Ｅ／ｅ－ａＴＵ２??其中》是等离子体密度，ｒ是约束时间，／／为反应的能量转化为电能的转化因子，??ｒ为温度，＜〇■〇为反应率系数。在氖氖或氘氖反应的情况下，ａ?＝?４．９ｘｌ０＿３７。??考虑到氘氚聚变反应所产生的《粒子具有一定自加热效应，可以利用该效应??使得氘氚聚变反应能够自持。首先可以利用外部辅助加热方法使得氘氚等离子体??加热到足够高的温度，实现聚变反应；之后，在氘氣等离子体存在足够好的约束??的情况下，可以关闭外部辅助加热，利用《粒子的自加热效应也可使得聚变反应??能够长期维持下去。自持燃烧条件即点火条件为要求ａ粒子的功率等于或大于等??离子体总的损失功率，由

ｉｚｅｄ?ｍｏｄｅｓ，ＥＬＭｓ）的控制［２３－２５］，??Ｌ－Ｈ转换［２６，?２７］等方面也取得了很多重要进展。目前ＥＡＳＴ已成为国际上稳态磁??约束聚变研宄的重要实验平台，并且可以为ＩＴＥＲ以及目前正在积极筹划的中国??聚变工程实验堆（Ｃｈｉｎａ?Ｆｕｓｉｏｎ?Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ?Ｔｅｓｔ?Ｒｅａｃｔｏｒ，ＣＦＥＴＲ?＞［２８，?２９］工程提供??相关的支持。??Ｃｅｎ，ｒａ，?Ｂｌａｎｋｅｔ?Ｍｏｄｕｌｅ??Ｍａｃｈｉｎｅ?Ｇｒａｖｉｔｙ??５４?ｃａｓｓｅｔｔｅｓ??图１．２国际热核实验堆ＩＴＥＲ的主要部件，取自文献［１８］。??１．３高约束运行模式??１９８２年，高约束运行模式（Ｈ模）由Ｗａｎｇｅｒ团队在德国的ＡＳＤＥＸ装置中??首次发现［３０］。Ｈ模的出现可以极大的提高托卡马克装置的约束水平。它的主要??６??

?第１章绪论???特点是，在等离子体边界区域形成边界输运垒从而产生一个台基区（ｐｅｄｅｓｔａｌ）。??在该区域等离子体具有非常大的压强，温度以及密度梯度，如图１．３所示。自Ｈ??模在ＡＳＤＥＸ上被首次发现之后，世界上各个托卡马克装置中都发现了?Ｈ模。我??国的ＨＬ－２Ａ装置于２０１０年通过电子回旋波加热（ＥＣＲＦ），中性束注入（ＮＢＩ）??等技术手段实现了?Ｈ模放电［３１］。此平后ＥＡＳＴ装置也在２０１１年实现了?Ｈ模运??行［３２］。目前，Ｈ模被认为是ＩＴＥＲ的主要运行模式之一。??１??Ａｄｖａｎｃｅｄ?Ｍｏｄｅ??＼?Ｉｔｅｒｎａｌ?Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ?Ｂａｒｒｉｅｒ??ｌ?＇＾Ｈ－Ｍｏｄｅ?＼＾／?（ＩＴＢ）??Ｉ??Ｌ－?Ｍｏｄｅ?Ｅｄｇｅ?Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ?Ｍｏｄｅｓ??…―．．．ｘｉ（ＥＬＭＳ，??Ｅｄｇｅ?Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ??Ｐｅｄｅｓｔａｌ?Ｂａｒｒｉｅｒ?（ＥＴＢ）??？?（ｍｏｄｅ?Ｈ）??〇?１??ｎｏｒｍａｌｉｓｅｄ?ｒａｄｉｕｓ?ｒ／ａ??图１．?３高约束运行模式中的压强剖面示意图，取自参考文献［３３］。??实验上发现，只需要加热功率足够高就能够产生Ｈ模，并且Ｈ模出现并不依赖??加热方式。在高约束模运行时，通常伴随有边界局域模的产生［３４－３７］。由于在Ｈ??模的运行模式下，台基区的压强梯度和电流都很高，因此存在有大量的自由能，??使得台基区的等离子体非常不稳定。托卡马克运行时，粒子和能量会持续地从芯??部输运到台基区的顶部，使得台基区的梯度越来越大，不稳定性越来越高，最终??发生崩塌。此时，台基区附近的磁面被破坏，在极短的时间内大量的等离子体越??过最外层闭
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本文编号：2893795