HL-2M托卡马克装置磁场方向对刮削层热流宽度的影响

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HL-2M(中国环流器二号M装置)是新建造的托卡马克,用于研究未来聚变堆相关物理和其关键技术,为下一步建造聚变堆打好基础。HL-2M着重开展燃烧等离子体物理的研究课题,包括等离子体输运、高能粒子物理、新型偏滤器位型、等离子体加料以及等离子体与第一壁相互作用等。偏滤器靶板过载热负荷是托卡马克磁约束聚变装置面临的一个重要问题,这将导致强烈的等离子体与壁相互作用,甚至对靶板材料造成不可承受的侵蚀等。要解决托卡马克装置偏滤器靶板过载热负荷问题,就必须理解热流在偏滤器靶板分布的物理机制。刮削层热流宽度(又称刮削层宽度,热沉积宽度)是解决偏滤器靶板热负荷问题的重要物理参数,也是影响未来核聚变反应装置使用寿命的重要因素。研究表明,刮削层热流宽度越大,偏滤器靶板热流峰值越小。在H-模下,刮削层热流宽度与等离子体电流或极向磁场成反比关系:等离子体极向磁场越大,刮削层热流宽度越窄。不同方向的磁场对漂移的作用效果不一致,从而影响偏滤器靶板粒子流和热流的分布。到目前为止,磁场方向对刮削层热流宽度影响的研究却很少。本论文针对HL-2M托卡马克装置,研究磁场方向对刮削层热流宽度的影响。第一章介绍了研究背景和研究进展。首先介绍了核聚变原理和托卡马克等离子体,论述了本工作的研究背景;接着通过实验定标率、理论模型和数值模拟等三个方面综述了刮削层热流宽度的研究进展;最后给出了本论文的结构。第二章介绍了BOUT++平台和物理模型。首先对BOUT++平台作了介绍;接着通过等离子体密度方程、离子平行速度方程、离子温度方程、电子温度方程和电场方程,详细描述了本工作所使用的输运模型;最后介绍了等离子体漂移,包括磁场梯度漂移和曲率漂移、电漂移、抗磁漂移和P-S流(Pfirsch-Schlüter Flow)。第三章针对HL-2M托卡马克装置,运用BOUT++输运模块,通过开启和关闭磁漂移(磁场曲率漂移和磁场梯度漂移)和电漂移(E×B漂移)选项,模拟研究了磁漂移和全漂移(磁漂移和电漂移)分别在不同方向磁场对刮削层热流宽度的影响,同时探究了影响偏滤器内外靶板热流不对称性的物理机制。模拟发现,相对于正场,反场可以增大热流宽度,降低热流峰值。在正场,磁漂移方向由芯部经磁零点(X-point)指向靶板,即它的方向是从装置顶部指向靶板,这将增大刮削层中打向靶板的平行粒子流速度,降低刮削层粒子输运时间,不利于粒子径向输运,使得刮削层热流宽度变窄,热流峰值变大。在反场,磁漂移方向与正场相反,这将增大刮削层热流宽度,降低热流峰值。另外,模拟结果显示,相较于正场,反场热流峰值被降低的同时,内外靶板热流不对称性得到改善。在正场,由于磁漂移增大了刮削层离子输运速度,降低了离子的输运时间,径向电漂移所引起的跨场输运十分微弱,所以磁漂移和全漂移对偏滤器内外靶板热流不对称性的影响差别不大;在反场,磁漂移增加了刮削层粒子输运时间,径向电漂移增大了刮削层粒子跨场输运速度,从而增大刮削层热流宽度,降低热流峰值。内靶板反场热流峰值比正场高,外靶板反场热流峰值比正场低,从而起到改善内外靶板热流不对称性的作用。第四章对本工作进行了概括和总结,说明了创新点,并做出展望,给未来科研工作提出了几点基于本工作切实可行的研究路线。
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