EAST中性束注入后快离子波纹损失的数值模拟研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:mythdream1
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托卡马克中热核等离子体的磁约束必须通过有限数目的环向磁场线圈来实现,这就产生了环向磁场波纹结构和由其引起的高能捕获粒子轨道形变,从而造成高能粒子的快速损失通道—波纹损失。在现有的托卡马克装置中,波纹损失是一个必须要考虑的问题,因为它将使大量高能粒子在未被慢化前损失掉,从而降低加热效率和能量约束时间,同时由于损失的高能粒子局域性很强,对托卡马克第一壁的轰击会造成较为严重的第一壁损伤。  为了实现EAST高参数稳定运行的科学目标,其高功率辅助加热和电流驱动系统的主要组成部分—强流稳态中性束注入系统正在建设中。中性束注入会在托卡马克中产生大量的高能粒子,在现有的托卡马克装置中纵场波纹同样会引起中性束注入的高能粒子损失,因此对EAST稳态高功率中性束注入后快离子的波纹损失进行系统研究是非常有必要的。  研究快离子波纹损失的关键在于精确计算快离子在包含有波纹场的托卡马克复杂磁场位形中的运动情况,同时还必须考虑快离子慢化过程中的能量损失和螺距角散射。本文针对EAST物理模型,利用经典哈密顿导心轨道程序ORBIT,并结合平衡程序EFIT和输运程序TRANSP,对EAST强流稳态中性束注入后的快离子波纹损失做系统地数值模拟研究。研究结果表明,对于典型的EAST放电实验,中性束注入产生的快离子在二分之一能量慢化时间内的损失份额相对较小,但是对于低电流放电实验,高的安全因子(q)值使得波纹随机扩散自由区域变小,从而导致了显著增加的快离子损失份额;与反向注入加热相比,在同向注入的条件下更多的快离子沉积在等离子体芯部区域,同时其损失的快离子携带更少的能量,因此对EAST装置来说同向的中性束注入能得到更高的等离子体加热效率以及更好的加热效果;此外,无论在同向注入还是反向注入条件下,碰撞效应和波纹效应表现出一种很强的协同增强作用,并且这种协同增强作用是非线性的,它所导致的快离子损失份额大约是碰撞效应和波纹效应单独作用下快离子损失份额之和的1.4-2.8倍;所研究的放电实验中损失快离子的分布均有很强的局域性,并且主要分布在外中平面以下很小的极向角范围内。通过计算我们进一步得到中性束注入条件下快离子波纹损失导致的第一壁平均最大热负荷沉积约为0.1 MW/m2,相比较EAST第一壁护瓦可承受的功率阈值(2MW/m2),波纹损失导致的第一壁热负荷沉积在当前研究的参数范围内不会有安全问题;分析同时得到减弱碰撞效应除了需要在低的有效电荷数Zeff条件下进行实验操作外,还需要通过实验得到最优化的等离子体密度值以减小快离子的能量慢化时间。于此同时,为了减弱波纹效应的影响,我们可以在较小的大半径R条件下进行实验操作,从而使得更多的快离子处于波纹随机扩散自由区域而不受波纹效应的影响。ITER装置上安装铁素体钢(ferritic steel)插件来减小环向场波纹度的方法也为我们提供了可供借鉴的参考方案。
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