EAST中性束注入下快離子損失研究.pdf

1、中性束注入是磁約束核聚變裝置主要的輔助加熱手段，其引入的高能粒子可有效提高等體溫度，且有高能成分的等體比近背景成分等體更容易達(dá)到聚變點(diǎn)火條件。磁約束裝置的特殊位形及等體不穩(wěn)定性可能引起的顯著高能粒子損失一直是聚變等體領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。本文立足于EAST物理實(shí)驗(yàn)分析，對EAST中性束注入下第一軌道損失，縱場波紋擾動引起的波紋損失，中性束注入下快離子對不穩(wěn)定性的激發(fā)和抑制影響以及帶來的損失問題進(jìn)行了探討，對EAST物理實(shí)驗(yàn)提供詳細(xì)的理論計(jì)算支

2、撐，并對tokamak裝置中高能離子物理有更深入的理解。
　　本文根據(jù)EAST中性束注入物理實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算了全模型下的中性束離化沉積，得到了NBI快離子初始分布以及對應(yīng)的第一軌道損失，對同向束和反向束共四個(gè)可獨(dú)立運(yùn)行的離子源束線進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示反向束注入下的第一軌道損失遠(yuǎn)比同向束大，較垂直離子源對應(yīng)的第一軌道損失比較較切向的大，原因是由于實(shí)驗(yàn)中的快離子初始沉積位置主要在低場側(cè)，而同向快離子從此初始位置開始的軌道漂移方向朝初始磁面

3、內(nèi)側(cè)，反向束朝磁面外側(cè)漂移;捕獲粒子的軌道寬度遠(yuǎn)比通行粒子大。本文根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)參數(shù)分析排除了波紋磁阱俘獲可能帶來的損失，并對碰撞影響波紋隨機(jī)擴(kuò)散損失通道進(jìn)行了分析，得到碰撞波紋擴(kuò)散損失是EAST中性束注入下快離子主要的波紋損失機(jī)制。利用一定慢化成分的快離子分布和EAST縱場波紋數(shù)據(jù)，計(jì)算了四個(gè)離子源束線單獨(dú)注入下的波紋損失，得到了損失快離子份額和位置，同向束損失份額較反向束小，損失位置局域在外中平面附近。降低第一軌道損失和波紋損失的有效

4、方法是在避免大尺度MHD不穩(wěn)定性的前提下提高等體電流以及優(yōu)化等體密度剖面，其基本決定了快離子沉積分布。
　　在眾多的等體不穩(wěn)定性中，本文著重對與NBI加熱實(shí)驗(yàn)密切的內(nèi)扭曲模不穩(wěn)定性進(jìn)行研究，分別在微擾和線性近似下討論了NBI快離子對sawtooth和fishbone影響的一般特性和近似解。為精確求解色散關(guān)系，本文在理想MHD理論框架下數(shù)值計(jì)算得到了和診斷一致的內(nèi)扭曲模結(jié)構(gòu)以及磁流體勢能，通過對中性束快離子動理學(xué)貢獻(xiàn)項(xiàng)的分析計(jì)算，得

5、到隨著快離子betahot演化下的色散關(guān)系解。利用EAST實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算得出，48605炮fishbone激發(fā)體積平均β閾值在3*10^-4，對應(yīng)芯部快離子比壓值在6.8*10^-3，指明了在這種平衡位形下fishbone和sawtooth穩(wěn)定區(qū)。為在現(xiàn)有中性束工程布局下探索更多可能的等體運(yùn)行穩(wěn)定區(qū)，本文在同一運(yùn)行條件下考慮了相同束參數(shù)條件的反向柬加同向束加熱方案，通過求解色散關(guān)系得到體積平均快離子比壓穩(wěn)定區(qū)達(dá)4*10^-4，穩(wěn)定區(qū)較單獨(dú)

6、同向注入下稍寬。通過內(nèi)扭曲模和中性束注入下快離子相互影響的能量原理分析，EAST-NBI的現(xiàn)有工程布局下，快離子對sawtooth有強(qiáng)烈的致穩(wěn)效果，實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)sawtoo th period在NBI加熱實(shí)驗(yàn)中增大的現(xiàn)象，由于巨型sawtooth對等體約束和雜質(zhì)聚芯的危害較大，本文研究建議EAST物理實(shí)驗(yàn)中反向和同向NBI同步調(diào)制運(yùn)行，注入脈寬小于能量約束時(shí)間，即增加了NBI工作時(shí)間，也防止sawtooth幅度過大，該工作為實(shí)驗(yàn)運(yùn)行提供

7、了參考指導(dǎo)。
　　為計(jì)算fishbone擾動引起的快離子損失，本文分別利用TRANSP/NUBEAM中fishbone損失簡化模型以及導(dǎo)心程序ORBIT在內(nèi)扭曲模擾動下跟蹤快離子的方法，由實(shí)驗(yàn)診斷測量的擾動幅度和頻率定標(biāo)得到了快離子損失份額、位置和能量等信息，fishbone引起的快離子損失在極向和環(huán)向有局域性，在n=1，m=1擾動幅度在5.4*10^-3下?lián)p失份額約10％，fishbone引起的損失份額同不穩(wěn)定性期間中子產(chǎn)額降低

8、估算出的快離子損失份額接近。損失快離子的能量在20-45keV，理論計(jì)算下fishbone period在0.95ms，相關(guān)計(jì)算同診斷結(jié)果一致，為相關(guān)物理分析和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和參考。
　　此外，CFETR概念設(shè)計(jì)得到順利開展，為在聚變堆中更自洽的計(jì)算快離子損失，本文分析了離軸中性束注入和DT聚變alpha粒子的快離子分布函數(shù)，并根據(jù)裝置工程設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算了兩種快離子的縱場波紋損失以及碰撞率的影響，結(jié)果顯示DT聚變alpha粒子