托卡马克装置中阿尔芬本征模稳定性及高能粒子输运模拟研究

发布时间：2020-04-23 05:29

【摘要】：在托卡马克中,聚变反应或者辅助加热产生的高能粒子会与阿尔芬本征模相互作用,高能粒子会将自身的自由能传递给阿尔芬本征模,从而引起阿尔芬本征模的不稳定,反之不稳定的阿尔芬本征模也会影响高能粒子的输运,使其在空间上重新分布,因此本文从这两个方面开展模拟研究。首先基于DIII-D两个的具有反剪切磁场位形放电实验#166496和#159243,对磁流体—动理学混合程序NOVA-K和回旋朗道流体程序TGLFEP进行验证,这两次实验分别为高声稳态放电实验和L模放电的电流爬升阶段,在这两次实验中,均观测到阿尔芬本征模被中性束加热生成的高能粒子所激发。与实验的诊断结果相同,两个程序的模拟结果均显示,在#166496实验中,低环向模数(n=1～2)的环效应阿尔芬本征模(TAE)被激发;而在#159243实验中,低环向模数(n=2～6)的反剪切阿尔芬本征模(RSAE)被激发。然后将这两个程序应用到中国聚变工程实验堆(CFETR)的模拟分析中,主要用来预测聚变产生的α粒子所激发的阿尔芬本征模的不稳定性,由于CFETR特殊的安全因子剖面,阿尔芬本征模的增长率会随着环向模数的增长而发生周期性变化,并且产生在有理面附近的RSAE,其增长率总是大于TAE的增长率。此外两个程序的模拟结果都显示在这个基础上再考虑500keV的离轴的中性束注入,会使阿尔芬本征模的增长率进一步增加。论文还进一步分析了CFETR的安全因子剖面的变化对阿尔芬本征模的影响,模拟结果显示安全因子最小值qmin的增加会使RSAE变得更不稳定,而如果保持qmim不变,通过增加磁轴位置的安全因子q0的方式增加负的磁剪切则可以使RSAE变得稳定。另外,增加背景等离子体密度,则会缩短高能粒子的慢化时间并增加电子碰撞阻尼,从而有利于阿尔芬本征模的稳定。本文对高能粒子输运的研究主要基于临界梯度模型并使用动理学输运程序EPtran进行模拟,其中最重要的输入参数高能粒子临界梯度则需要使用TGLFEP模拟得到。首先本文基于DIII-D#142111放电实验525ms时刻,使用NOVA-K验证了TGLFEP计算的临界梯度的准确性,通过模拟与实验的对比表明,EPtran程序计算的高能粒子径向压强剖面与诊断结果是很接近的,只有在边界处略高于诊断结果,这是因为在边界处该程序只考虑了湍流引起的高能粒子损失。然后使用同样的模拟方法对CFETR稳态运行方案和混合运行方案中的高能粒子输运进行预测。模拟结果表示,稳态运行方案中主要由不稳定的TAE驱动α粒子输运,而在混合运行方案中则是不稳定的比压引起的阿尔芬本征模(BAE)驱动α粒子输运。相比之下,由于混合运行方案中,α粒子的高压强梯度区域的径向宽度比较窄,而且阿尔芬本征模在径向上也比较集中,因此阿尔芬本征模对高能粒子输运的驱动比较小。由于混合运行方案的初始高能粒子密度高,因此在达到稳态时芯部沉积的高能粒子密度比较高。
【图文】：

题而无法普及使用，因此核能的开发利用迫在眉睫。逡逑核反应的原理主要依赖质能方程，也就是能量与质量之间存在着当量关系，逡逑由于各种元素原子核的平均结合能不同，平均结合能与原子序数的关系如图１．１逡逑所示［１１，总体呈现先增加后减小的趋势。因此当一个重核分裂成两个或多个较轻逡逑的原子核时总的质量亏损，亏损的质量转化成能量，这就是核裂变反应。与之相逡逑反，聚变反应是两个轻原子核结合形成一个较重的原子核，在这个过程中同样会逡逑由于质量亏损而释放出能量，这也同样是太阳发热的原理。从平均结合能的分布逡逑图中可以看出聚变反应所生成的能量是远大于裂变反应的，除此之外，聚变反应逡逑的核燃料是氢元素的同位素，与裂变使用的铀和钚相比更容易获取；其次聚变反逡逑应的生成物是原子序数较小的轻元素（如：氦），并不会产生高放射性的核废料，逡逑而且这些聚变的产物也可以提供给其他产业使用；最重要的是

逦（１．５）逡逑其中》为粒子的密度，／为粒子的分布函数，是反应截面，《是相对速度，角标逡逑１和２代表发生反应的两种粒子。由图１．２可以看出，，氘l#反应的反应截面需要逡逑的温度是最低的，也就是最容易实现的聚变反应，这种反应中会生成３．５ＭｅＶ的逡逑ａ粒子，从式（１．５）可知，ａ粒子的径向分布与背景等离子体密度和温度分布正相逡逑关，因此ａ粒子密度从磁轴（ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ａｘｉｓ）到最外层闭合磁面（ｌａｓｔ邋ｃｌｏｓｅｄ邋ｆｌｕｘ逡逑ｓｕｒｆａｃｅ，简称ＬＣＦＳ）逐渐减少。通过合适的磁场位形将ａ粒子约束在等离子体芯逡逑部，使其通过碰撞将能量传递给背景等离子体从而维持温度，从而达到点火条件。逡逑因为聚变反应产生高能粒子的能量要远远大于反应前的粒子，所以一般认为聚变逡逑生成的高能粒子在投掷角（ｐｉｔｃｈ邋ａｎｇｌｅ）空间的分布是各向同性的（ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）。逡逑中性束注入是一种辅助加热手段，但在加热的同时也会引入高能粒子。在托逡逑卡马克中
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL631.24

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本文编号：2637403