EAST偏濾器靶板能流粒子流不對稱性SOLPS模擬研究.pdf

1、偏濾器靶板能流和粒子流不對稱性的理解對于未來聚變裝置高功率長脈沖穩(wěn)態(tài)放電非常重要(例如ITER，CFETR)，它將影響偏濾器脫靶、能流以及粒子流控制。數(shù)值模擬與實驗研究已經(jīng)表明了漂移是導致偏濾器靶板能流粒子流不對稱性的主要因素。但是，漂移（電漂移和反磁漂移）誘導偏濾器靶板能流粒子流不對稱的物理機制仍然不清楚，尚存在爭議。一些學者研究結(jié)果表明極向電漂移是誘導偏濾器能流粒子流內(nèi)外不對稱性的主要原因;相反，另外一些學者的研究結(jié)果表明徑向電漂移

2、是誘導偏濾器能流粒子流內(nèi)外不對稱性的主要原因。國內(nèi)重要的聚變裝置EAST放電實驗發(fā)現(xiàn)了偏濾器內(nèi)外不對稱性隨上游等離子體密度提高而增強，然而一些學者針對EAST放電實驗的SOLPS模擬研究顯示漂移并沒有引起明顯的偏濾器內(nèi)外不對稱性，其具體的原因仍然不清楚。另外，偏濾器區(qū)能流粒子流不對稱輸運也將影響雜質(zhì)粒子輸運，導致偏濾器區(qū)雜質(zhì)粒子不對稱分布，從而使得雜質(zhì)更容易通過密度擴散滲透進入芯部等離子體區(qū)，輻射掉大量芯部能量，影響放電性能。針對以上存

3、在的問題，本論文應(yīng)用大型二維邊界等離子體流體程序SOLPS對EAST托卡馬克偏濾器靶板能流粒子流內(nèi)外/上下不對稱性開展數(shù)值模擬研究。
　　本論文第一章介紹了本工作研究背景和意義。第二章介紹了基本托卡馬克偏濾器等離子體物理，以及SOLPS程序和基本模型。第三章系統(tǒng)研究了在不同的放電狀態(tài)（低再循環(huán)，高再循環(huán)以及部分脫靶）下和不同的放電模式（低約束和高約束）下不同電漂移分量（極向電漂移和徑向電漂移分量）對偏濾器不對稱的影響。通過模擬發(fā)現(xiàn)

4、在低約束部分脫靶狀態(tài)下徑向電漂移是偏濾器不對稱性的主要因素;在高約束高再循環(huán)狀態(tài)下極向電漂移起主要的作用;然而，在高約束部分脫靶狀態(tài)下徑向電漂移與極向電漂移同時起重要的作用，二者協(xié)同作用可以導致偏濾器靶板能流粒子流內(nèi)外不對稱性更加明顯。該研究結(jié)果很好地解決了其他學者對不同電漂移分量在誘導偏濾器能流粒子流內(nèi)外不對稱過程中起主要作用的爭議。模擬結(jié)果也表明徑向與極向電漂移流的協(xié)同作用會使額外的極向電漂移流沿著私有通量區(qū)拖拽更多的碳雜質(zhì)粒子從外

5、偏濾器區(qū)流向內(nèi)偏濾器區(qū);相反，單獨的電漂移分量對雜質(zhì)輸運的影響很小，特別是徑向電漂移。此外，本章也研究了氣球模輸運對偏濾器內(nèi)外不對稱性的影響。模擬結(jié)果表明除漂移外，氣球模輸運也是誘導偏濾器能流粒子流內(nèi)外不對稱性的一種重要因素，二者協(xié)同作用使得偏濾器靶板能流粒子流不對稱性變的更加明顯。
　　第四章研究了放電等離子體密度對漂移誘導偏濾器內(nèi)外不對稱性的影響。模擬結(jié)果顯示在低密度情況下漂移誘導偏濾器不對稱性不明顯，而隨著上游等離子體密度的

6、升高，偏濾器靶板能流粒子流內(nèi)外不對稱性越來越明顯，該模擬結(jié)果與實驗診斷結(jié)果很吻合，其主要的原因是:(1)漂移誘導刮削層等離子體密度重新分布，并且導致上游高低場區(qū)的等離子體密度不對稱，而上游高低場刮削層等離子體密度的不對稱將影響偏濾器能流粒子流內(nèi)外不對稱;(2)在不同的放電等離子體密度條件下上游區(qū)與偏濾器靶板區(qū)等離子體密度之間的關(guān)系完全不同，即:低密度（鞘層限制狀態(tài)）條件下二者呈線性關(guān)系，而在高密度（高再循環(huán)放電狀態(tài)）條件下二者呈指數(shù)關(guān)系

7、;(3)上游等離子體密度也能夠影響刮削層極向流管中的電子溫度梯度和電子靜態(tài)壓強梯度，從而影響徑向電漂移速度。
　　第五章研究了在注入Ar雜質(zhì)實現(xiàn)偏濾器脫靶過程中漂移對脫靶以及雜質(zhì)輸運的影響。研究結(jié)果表明上外和下外偏濾器脫靶的順序主要取決于漂移，而不是噴氣口的位置。該模擬結(jié)果與EAST實驗診斷結(jié)果定性一致，其主要原因是漂移通過重新分布或者反轉(zhuǎn)背景等離子體流驅(qū)動更多的粒子流進入上偏濾器區(qū)。另外，模擬結(jié)果表明氬雜質(zhì)輸運主要取決于背景等離