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《大连理工大学》 2017年
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EAST偏滤器靶板能流粒子流不对称性SOLPS模拟研究

杜海龙  
【摘要】:偏滤器靶板能流和粒子流不对称性的理解对于未来聚变装置高功率长脉冲稳态放电非常重要(例如ITER,CFETR),它将影响偏滤器脱靶、能流以及粒子流控制。数值模拟与实验研究已经表明了漂移是导致偏滤器靶板能流粒子流不对称性的主要因素。但是,漂移(电漂移和反磁漂移)诱导偏滤器靶板能流粒子流不对称的物理机制仍然不清楚,尚存在争议。一些学者研究结果表明极向电漂移是诱导偏滤器能流粒子流内外不对称性的主要原因;相反,另外一些学者的研究结果表明径向电漂移是诱导偏滤器能流粒子流内外不对称性的主要原因。国内重要的聚变装置EAST放电实验发现了偏滤器内外不对称性随上游等离子体密度提高而增强,然而一些学者针对EAST放电实验的SOLPS模拟研究显示漂移并没有引起明显的偏滤器内外不对称性,其具体的原因仍然不清楚。另外,偏滤器区能流粒子流不对称输运也将影响杂质粒子输运,导致偏滤器区杂质粒子不对称分布,从而使得杂质更容易通过密度扩散渗透进入芯部等离子体区,辐射掉大量芯部能量,影响放电性能。针对以上存在的问题,本论文应用大型二维边界等离子体流体程序SOLPS对EAST托卡马克偏滤器靶板能流粒子流内外/上下不对称性开展数值模拟研究。本论文第一章介绍了本工作研究背景和意义。第二章介绍了基本托卡马克偏滤器等离子体物理,以及SOLPS程序和基本模型。第三章系统研究了在不同的放电状态(低再循环,高再循环以及部分脱靶)下和不同的放电模式(低约束和高约束)下不同电漂移分量(极向电漂移和径向电漂移分量)对偏滤器不对称的影响。通过模拟发现在低约束部分脱靶状态下径向电漂移是偏滤器不对称性的主要因素;在高约束高再循环状态下极向电漂移起主要的作用;然而,在高约束部分脱靶状态下径向电漂移与极向电漂移同时起重要的作用,二者协同作用可以导致偏滤器靶板能流粒子流内外不对称性更加明显。该研究结果很好地解决了其他学者对不同电漂移分量在诱导偏滤器能流粒子流内外不对称过程中起主要作用的争议。模拟结果也表明径向与极向电漂移流的协同作用会使额外的极向电漂移流沿着私有通量区拖拽更多的碳杂质粒子从外偏滤器区流向内偏滤器区;相反,单独的电漂移分量对杂质输运的影响很小,特别是径向电漂移。此外,本章也研究了气球模输运对偏滤器内外不对称性的影响。模拟结果表明除漂移外,气球模输运也是诱导偏滤器能流粒子流内外不对称性的一种重要因素,二者协同作用使得偏滤器靶板能流粒子流不对称性变的更加明显。第四章研究了放电等离子体密度对漂移诱导偏滤器内外不对称性的影响。模拟结果显示在低密度情况下漂移诱导偏滤器不对称性不明显,而随着上游等离子体密度的升高,偏滤器靶板能流粒子流内外不对称性越来越明显,该模拟结果与实验诊断结果很吻合,其主要的原因是:(1)漂移诱导刮削层等离子体密度重新分布,并且导致上游高低场区的等离子体密度不对称,而上游高低场刮削层等离子体密度的不对称将影响偏滤器能流粒子流内外不对称;(2)在不同的放电等离子体密度条件下上游区与偏滤器靶板区等离子体密度之间的关系完全不同,即:低密度(鞘层限制状态)条件下二者呈线性关系,而在高密度(高再循环放电状态)条件下二者呈指数关系;(3)上游等离子体密度也能够影响刮削层极向流管中的电子温度梯度和电子静态压强梯度,从而影响径向电漂移速度。第五章研究了在注入Ar杂质实现偏滤器脱靶过程中漂移对脱靶以及杂质输运的影响。研究结果表明上外和下外偏滤器脱靶的顺序主要取决于漂移,而不是喷气口的位置。该模拟结果与EAST实验诊断结果定性一致,其主要原因是漂移通过重新分布或者反转背景等离子体流驱动更多的粒子流进入上偏滤器区。另外,模拟结果表明氩杂质输运主要取决于背景等离子体流,流向上偏滤器区的等离子体流将通过粘滞力拖拽的杂质粒子进入上偏滤器区,从而导致杂质粒子在上偏滤器区聚集。当上偏滤器等离子体温度过低时,杂质粒子很容易通过密度扩散渗透进入芯部等离子体区,辐射大量芯部能量影响放电性能。最后,模拟结果表明了通过匹配注入杂质速率与抽气速率能够很好地控制进入芯部的杂质粒子,维持杂质粒子平衡,从而实现稳态部分脱靶。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TL631.24

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