中國科學院等離子體物理研究所博士論文答辯

1、中國科學院等離子體物理研究所博士論文答辯,博士論文題目HT-7U托卡馬克偏濾器數(shù)值模擬研究 研究生姓名： 陳一平 指導導師： 虞清泉 研究員 朱思錚 研究員,報告內(nèi)容,HT-7U邊界等離子體和偏濾器數(shù)值模擬研究意義邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器的數(shù)值模擬研究HT-7U輻射偏濾

2、器的數(shù)值模擬研究流體模型與動力學模型混合模擬 B2.5-EIRENE連接與耦合HT-7U偏濾器B2.5-EIRENE數(shù)值模擬研究論文結論和討論發(fā)表的論文致謝,,HT-7U邊界等離子體和偏濾器數(shù)值模擬研究意義,HT-7U托卡馬克是一個高級穩(wěn)態(tài)等離子體實驗裝置。研究并發(fā)展穩(wěn)態(tài)運行條件下托卡馬克加熱、排熱、加料、排灰以及邊界控制技術。為未來穩(wěn)態(tài)和高效聚變堆的設計提供物理與工程技術數(shù)據(jù)。HT-7U采用偏濾器位形，以研究偏濾器等離

3、子體粒子和能量平衡及其控制， HT-7U偏濾器是第一個由我國自行設計和建造的偏濾器，對于開展穩(wěn)態(tài)條件下的偏濾器物理和工程技術的研究具有重要意義。初步運行采用雙零偏濾器，以增加偏濾器靶板的排熱面積，減小偏濾器工程設計的風險和難度，同時增加等離子體的穩(wěn)定性。與世界上一些偏濾器托卡馬克，如DIII-D, ALCATOR C-MOD, JET, ASDEX-U, JFT-2M, JT-60 和 JT-60U比較，HT-7U將有更長的脈沖運行

4、時間(60-1000S), 這將導致HT-7U偏濾器設計更為困難。,,HT-7U邊界等離子體和偏濾器數(shù)值模擬研究意義,,HT-7U偏濾器熱負載與其它裝置的比較,HT-7U托卡馬克偏濾器數(shù)值模擬研究意義,目前的核聚變研究缺乏邊界等離子體和偏濾器等離子體系統(tǒng)性實驗研究數(shù)據(jù)缺乏芯等離子體參數(shù)和邊界等離子體參數(shù)之間嚴格的實驗定標關系數(shù)值模擬研究是偏濾器設計過程中進行偏濾器物理評估和物理設計的關鍵步驟數(shù)值模擬研究使邊界等離子體物理模型得以驗

5、證并促進邊界等離子體先進物理模型的發(fā)展,,HT-7U托卡馬克偏濾器數(shù)值模擬研究意義國際上邊界等離子體和偏濾器數(shù)值模擬程序的發(fā)展,流體模擬程序： B2, B2.5, EDGE2D, UEDGE, EPIC, DDIC-90, UEDA, NEWEDGE, PLANET, LEEDGE動力學 Monter-Carlo 型模擬程序: EIRENE,

6、DEGAS, DEGAS-2, NIMBUS流體與動力學Monter-Carlo 耦合程序：B2-EIRENE, B2.5-EIRENE, EDGE2D-NIMBUS,,,,HT-7U托卡馬克偏濾器數(shù)值模擬研究意義國際上邊界等離子體和偏濾器數(shù)值模擬程序的發(fā)展,,國際上一些實驗裝置所使用的模擬程序和傳輸系數(shù),邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序所利用的物理模型,,,二維等離子體數(shù)值模擬程序模擬多流體等離子體

7、多流體等離子體中包括中性氣體考慮原子分子過程，包括電離、復合、電荷交換等微觀物理過程考慮不同粒子種類之間的相互摩擦流體方程中包括了電流和電勢方程并利用了歐姆定律模擬程序包包括266子程序，共20000余條語句,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序所利用的物理模型,,邊界等離子體流體方程,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程 (Braginskii方程),,,,,邊界等離子體流體模擬程

8、序B2.5的移植 B2.5程序流體方程 (Braginskii方程),,,,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程 (Braginskii方程),,,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程 (Braginskii方程),,邊界等離子體流體方程,,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程 (Braginskii方程),,邊界等離子體流體方程在準柱坐標系中的表達,

9、,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程 (Braginskii方程),,,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程 (Braginskii方程),,,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程 (Braginskii方程),,邊界等離子體流體方程在準柱坐標系中的表達,,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程 (Braginskii方程),

10、,流體方程在準柱坐標系中的表達,,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程 (Braginskii方程),,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程,,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程,,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程,流體方程猜一套解計算誤差離散化效正方程求解線性代數(shù)方程矩陣 由強隱方法求逆,,邊界等離

11、子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序?qū)α黧w方程的求解,,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程求解邊界條件,B2.5邊界等離子體數(shù)值模擬程序是世界三大邊界等離子體流體模擬程序(B2.5, EDGE2D, UEDGE)之一。將B2.5 UNIX 工作站版本移植為微機版本，利用FORTRAN POWER STATION 軟件系統(tǒng)。充分利用國內(nèi)較為流行的微機資源在邊界等離子體數(shù)值模擬研究中的作用。將B

12、2.5應用于HT-7U托卡馬克偏濾器的數(shù)值模擬研究。移植動力學Monte-Carlo模擬程序EIRENE,將B2.5耦合到邊界等離子體動力學Monte-Carlo模擬程序EIRENE (世界三大邊界等離子體動力學Monte-Carlo模擬程序, EIRENE, DEGAS, NIMBUS, 之一），形成微機版本的耦合程序B2.5 -EIRENE。將B2.5 -EIRENE應用于HT-7U偏濾器的數(shù)值模擬。,,邊界等離子體流體模擬程序

13、B2.5的移植,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究模擬參數(shù)和幾何,,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究模擬參數(shù)和幾何,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究偏濾器靶板附近數(shù)值模擬網(wǎng)格的產(chǎn)生,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究模擬計算網(wǎng)格在笛卡爾坐標中的表示,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究模擬計算邊界條件,1.芯-SOL界面：所有種類粒子的平行流速度設為零，正如徑

14、向電流。兩個溫度，電子溫度和離子溫度設置為共同值，兩個密度，中性氫H0密度和氫離子H+密度分別設置為固定值。兩個溫度和兩個密度被設置作為控制參數(shù)。2.外壁和隱閉流區(qū)的內(nèi)邊界：熱損失包括流損失和附加損失，這個附加損失由邊界上的梯度引起，與這個邊界條件相對應的邊界梯度長度的量級約為0.01米。邊界上有很低的溫度。朝著邊界的帶電粒子損失流可預設，這個損失流正比于密度與熱速度的乘積。零電流，平行速度的零剪切。粒子再循環(huán)系數(shù)和能量再循環(huán)系數(shù)分別

15、等于1.0 和0.3。,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究模擬計算邊界條件,3.赤道面假設為對稱性邊界條件。當考慮漂移流時，模擬結果將做適當修正。4.偏濾器靶板：所有帶電粒子以共同的速度外流，中性粒子的局部產(chǎn)生速率等于局部帶電粒子外流的速率。電流由Bohm鞘條件決定但同時考慮二次電子發(fā)射。這些流平行于磁場方向，但是為了得到到達靶板上的流，這些流必須考慮磁場的局部傾斜。粒子再循環(huán)系數(shù)和能量再循環(huán)系數(shù)分別等于1.0 和0.

16、3。,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結果 熱流分布,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結果 偏濾器靶板上總熱流分布,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結果 外壁上的總熱流分布,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結果偏濾器靶板上的熱流峰值,,高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結果,,高再循

17、環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結果SOL模擬計算區(qū)電子溫度等值線分布,,高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結果SOL模擬計算區(qū)離子溫度等值線分布,,高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結果SOL模擬計算區(qū)電子密度等值線分布（10201/m3),,高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結果SOL模擬計算區(qū)氫原子密度等值線分布（10201/m3),,高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結果SOL模擬計算區(qū)氫離子平行速度等值線分布（m/s),,高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結果SOL模擬計算區(qū)氫原子平行速度

18、等值線分布（m/s),,高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結果SOL模擬計算區(qū)沿平行方向電子和離子熱流密度分布,,高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結果SOL模擬計算區(qū)沿平行方向電勢和電流分布,,高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結果高界面密度與低界面密度靶板上總熱流比較,,高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結果高界面密度與低界面密度靶板上等離子體參數(shù)和熱流峰值比較,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器靶板上總熱流比較,,HT-7U高再循

19、環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器靶板上等離子體參數(shù)和熱流峰值比較,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究低再循環(huán)偏濾器SOL模擬計算區(qū)電子溫度等值線分布,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究低再循環(huán)偏濾器SOL模擬計算區(qū)電子密度度等值線分布（10201/m3),,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究進入不同部分SOL熱流分布,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究

20、加熱功率所產(chǎn)生的邊界溫度,進入計算區(qū)的總熱流為Qoutx=Pin×60%×80%×55%=0.264 Pin 利用赤道面上的對稱性邊界條件，邊界密度Nedge=2?1019 1/m3, 邊界溫度Tedge=300eV 時，Qoutx=1.684MW 邊界溫度Tedge=350eV 時，Qoutx=2.002MW 考慮到離子的飄移流等所引起的赤道面上、下不對稱性 Ted

21、ge=300eV 和 Tedge=350eV時，Qoutx的模擬值應分別修正Qoutx=1.684?1.2=2.021MW 和 Qoutx=2.002?1.2 =2.402MW 分別對應于HT-7U裝置加熱功率 Pin=7.655MW和Pin=9.10MW。 HT-7U 裝置8MW 的加熱功率對于邊界密度Nedge=2?1019 1/m3， 產(chǎn)生的邊界溫度范圍為300eV< Tedge<350eV。,,

22、HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究等離子體參數(shù)和等離子體熱流沿著偏濾器靶板的徑向分布,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究HT-7U裝置加熱功率沉積分布,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究SOL寬度對邊界等離子體參數(shù)和熱流的影響,SOL 物理寬度, 通常是SOL中等離子體參數(shù)和徑向輸運系數(shù)的函數(shù)，例如，λn≈ (2D⊥LC/cs)1/2，這里 LC 是連接長度，D⊥是徑向粒子反常擴散系數(shù)，cs

23、是離子聲速，cs=(2kTi/mi)1/2。模擬結果顯示，SOL 物理寬度不僅受等離子體參數(shù)和徑向輸運系數(shù)的影響同時也受SOL幾何厚度DSOL的影響。DSOL是赤道面上從LCFS到外壁的距離。,,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究跨越 SOL 赤道面上等離子體參數(shù)的徑向分布,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究SOL物理寬度隨幾何寬度的變化,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究SOL幾何寬度對

24、靶板上等離子體參數(shù)和熱流分布的影響,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究SOL幾何寬度對靶板上等離子體參數(shù)和熱流峰值的影響,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究總粒子流和熱流在SOL中的分布,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究基本結論,,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究基本結論,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究基本結論,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值

25、模擬研究基本結論,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究基本結論,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究基本結論,HT-7U輻射偏濾器的數(shù)值模擬研究減小偏濾器靶板熱流或熱流峰值的基本方法,,HT-7U輻射偏濾器的數(shù)值模擬研究高再循環(huán)偏濾器,,HT-7U輻射偏濾器的數(shù)值模擬研究動態(tài)氣體靶偏濾器,,HT-7U輻射偏濾器的數(shù)值模擬研究,,HT-7U輻射偏濾器的數(shù)值模擬研究,,HT-7U輻射偏濾器的數(shù)值模擬研究,,

26、HT-7U輻射偏濾器的數(shù)值模擬研究達靶板的等離子體離子流隨著芯-SOL界面上Ne+10濃度的變化,,流體模型與動力學模型混合模擬 B2.5-EIRENE連接與耦合流體模型適用條件,,,,流體模型與動力學模型混合模擬 B2.5-EIRENE連接與耦合流體模型適用條件,,,流體模型與動力學模型混合模擬 B2.5-EIRENE連接與耦合流體模型適用條件,動力學 Monte-Carlo 模擬程序,,流體模擬程序和動力學模擬程序的耦合,,

27、流體模擬程序和動力學模擬程序的耦合,,,流體模擬程序和動力學模擬程序的耦合,,流體模擬程序和動力學模擬程序的耦合,,,流體模擬程序和動力學模擬程序的耦合,,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結果,,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結果,,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結果,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結果,,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結果,HT-7U偏濾器 B2.5-

28、EIRENE模擬結果,,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結果,,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結果,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結果,,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結果,,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結果,,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結果,基本結論和討論,,,基本結論和討論,,基本結論和討論,基本結論和討論,論文總結和討論——論文特色,,論文總結