發(fā)布時間：2020-05-31 04:46

【摘要】：對于未來的聚變托卡馬克裝置而言,如何排出芯部等離子體聚變產生的大量能量是一個至關重要的問題。中國聚變工程實驗堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)的聚變功率設計目標將達到1 GW,向CFETR的邊界等離子體中注入氣體雜質,使其偏濾器運行在輻射偏濾器的工作狀態(tài),從而利用雜質輻射排出進入刮削層中的等離子體能流,將會是一種必須采取的技術手段。而在注入雜質后,如何兼顧偏濾器靶板的低熱負載與芯部等離子的低雜質濃度是關鍵問題之一。本文基于二維邊界等離子體模擬程序SOLPS系統(tǒng)地開展了 CFETR輻射偏濾器的數(shù)值模擬,研究了高輻射份額條件下雜質注入的種類、位置以及不同的偏濾器位形對于偏濾器雜質屏蔽性能的影響。具體包括以下幾方面內容。研究工作首先針對常規(guī)下單零偏濾器位形開展,在氬雜質注入時,模擬了不同等離子體密度條件下的輻射偏濾器。結果表明,在總輻射功率Prad～170 MW時,在高密度和低密度條件下,內外偏濾器等離子體均可以實現(xiàn)完全脫靶,從而大幅度降低偏濾器靶板的熱負載。Matthews實驗定標能夠較好的擬合模擬數(shù)據,得到氬雜質注入下有效電荷數(shù)Zeff與電子密度ne及總輻射功率Prad的關系,為進一步的芯部參數(shù)優(yōu)化提供合理的邊界條件。除了氬以外,氮、氖也是目前實驗中常用的輻射雜質,因此本文進一步研究了三種不同氣體雜質注入邊界等離子體后,雜質輸運及輻射的差別。模擬結果表明,在Prad～170 MW,偏濾器等離子體脫靶時,相同的電子密度下,氮雜質注入會造成最小的芯部燃料稀釋。然而,氮與鎢的化學反應會增加鎢壁中的氚滯留,而氮與氚形成的類氨化合物也會增加氚工廠的負擔。在其余的兩種惰性氣體雜質中,盡管氬的原子序數(shù)更高,氬雜質注入卻伴隨著更低的上游Zeff,這是由于氬原子有著比氖原子更低的電離能,因此更容易在靠近靶板附近的位置電離,進而導致更強的非日冕平衡效應(non-coronal)。因此,本文進一步對Matthews定標提出了一個試探性的修正:Zeff=1+C(Z-1)αPad/ne2-β/(EionD/Eionmp)γ,其中用電離能衡量雜質輻射中非日冕平衡效應的貢獻,模擬結果與修正后的定標有相當好的吻合。本文進一步模擬比較了四種不同的充氣方案對雜質屏蔽性能的影響,具體包括:從上游充入氘氬混合氣體;從外偏濾器充入氘氬混合氣體;從內偏濾器充入氘氬混合氣體;從上游充入氘氣的同時從外偏濾器充入氬氣。模擬結果表明,從上游注入氘氣時,可以大大增強刮削層內的背景等離子體流,從而得到更好的氬雜質屏蔽效果與更低的上游Zeff。而與注入氘氣的位置相比,在相同總輻射功率的情況下,注入氬氣的位置對于邊界等離子的影響要小得多——此時偏濾器靶板再循環(huán)是邊界等離子體中最主要的雜質源。本文最后模擬研究了CFETR裝置中氬雜質注入下準雪花偏濾器位形中的輻射偏濾器,并將模擬結果與常規(guī)的下單零偏濾器位形的結果進行了比較。在高密度的情況下,準雪花偏濾器能在更低的總輻射功率下實現(xiàn)內外偏濾器等離子體的完全脫靶,并且由于其內外偏濾器處等離子體的脫靶程度都更高,表現(xiàn)出了更好的雜質屏蔽效果。而在低密度的情況下,由于我們所使用的準雪花偏濾器位形中外偏濾器磁通展寬增加的幅度遠高于內偏濾器,隨著總輻射功率的增加,不同于下單零位形下內偏濾器先脫靶,準雪花偏濾器位形下外偏濾器處的等離子體率先脫靶,并且其中的雜質輻射表現(xiàn)出的更強的內外不對稱性。模擬結果表明,準雪花偏濾器增加的磁通展寬與連接長度不僅有助于偏濾器等離子體的脫靶,也可以提高等離子體脫靶的程度,因而可以通過抑制雜質的反流而增強偏濾器處的雜質屏蔽。
【圖文】：

邐（１．１）逡逑其中ｎ表示中子，而４Ｈｅ即最常見的氦，也就是常說的ａ粒子。這一反應能夠產逡逑生１７．６邋ＭｅＶ的能量。圖１．１給出了氘l#聚變與其他兩種常見的聚變反應截面的逡逑比較。逡逑１0－２１邐．．．．．干？：二｜邐■：．■＿■！邋—邐［邐［邋｜邋ｊ邋｜邋｜邐Ｌ邋Ｉ邐Ｌ逡逑邐—邋一邐ＩＪ邋￣邐二二二二—ｕ－邐一一邋￣邋＂＂邐￣＂邋■邐二二：逡逑ｚｚｍｉ邋ｚｍｍｉ邋ｚｎ邋二二二：：邐—￣￣￣逡逑，ｕ邐ｚ逡逑７邐逡逑邐邐＿＿邋＂Ｘ邋邐：：：逡逑１０－２２邋＝邋＝邋＝邋＝邋＝邋＝邋＝邋１＾＝＝＾邋＝邋＝邋＝邋＾＾逡逑１0￣２３邋＝邋＝邋＝邋＝邋＝＾＾＝＝＝＝＾＾＝＝＝＝＝－－逡逑＝＝＝＝ｌ＝ＥＥ＝Ｅ＝ｐ＾ＥＥ＝ＥＥ邋＝逡逑／邐Ｄ－Ｄ／邋／逡逑ｉｃｔ２４邋＾三三三三三三ｇ邐＾三ｅｅｅ三三三逡逑ｌｐｌｌｐ＾ｐｉｌｌ�。剑剑剑藉义希�0－５：邋ｔ逡逑ｋｔ２６�。澹慑澹戾澹卞澹剩粒斟澹蛇娺婂澹保保保保保卞义希卞澹保板澹保埃板义希颍ǎ耄澹郑╁义蠄D１．１氘－氚、氘－氘、氘－氦３三種常見聚變反應的反應截面１１１逡逑作為氘氚聚變反應的兩種主要燃料，氘和氚都是氫的同位素。氫是宇宙中含逡逑量最多的元素

２０１５邐２０２０邐２０２５邐２０３０邐２０３Ｓ邐２０４０邐２０４５邐２０５０邐２０５５邐２０６０逡逑圖１．２中國磁約束聚變發(fā)展路線圖Ｍｌ逡逑圖１．３是ＣＦＥＴＲ的示意圖。ＣＦＥＴＲ的運行預期分兩個階段：階段一（Ｐｈａｓｅ逡逑Ｉ）的目標是實現(xiàn)氚自持和穩(wěn)態(tài)運行，其聚變功率會達到２００ＭＷ；階段二（Ｐｈａｓｅ逡逑ＩＩ）則會驗證ＤＥＭＯ的可行性，實現(xiàn)超過１邋ＧＷ的聚變功率。ＣＦＥＴＲ的概念設計逡逑已經開展了超過四年的時間【１９，２（）１，其初始的設計參數(shù)為大半徑７？邋＝邋５．７ｍ，小半徑逡逑？＝邋１．６邋ｍ，環(huán)向磁場５Ｔ邋＝邋４－５邋Ｔ。然而，對于這樣的設計而言，第二階段的運行逡逑將會需要非常高的等離子體參數(shù)，并會給偏濾器與包層的設計帶來極大的挑戰(zhàn)。逡逑因此，為了在現(xiàn)有的工程技術條件下同時滿足Ｐｈａｓｅｌ與Ｐｈａｓｅｌｌ的目標，ＣＦＥＴＲ逡逑又完成了多個版本的概念設計，，其中包括大半徑尺＝邋６．６ｍ，小半徑《＝邋１．８邋ｍ，逡逑環(huán)向磁場＝邋６－７邋Ｔ的版本｜２２】
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TL631.24

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 金羽中;劉翔;陳蕾;練有運;王正裕;;多噴嘴氦冷偏濾器的優(yōu)化與分析[J];核聚變與等離子體物理;2017年01期

2 吳繼紅,張斧,嚴建成;模擬偏濾器材料熱疲勞性能研究[J];材料導報;2002年07期

3 李芳,徐文斌,石秉仁;開放型偏濾器平衡位形的數(shù)值計算[J];核聚變與等離子體物理;1989年01期

4 胡建生;王亮;孫震;姚達毛;陳俊凌;桑超峰;丁洪斌;施立群;葉民友;;托卡馬克裝置中長脈沖高功率運行模式下鎢偏濾器基礎物理研究[J];中國基礎科學;2018年05期

5 張錦華，高慶弟，李芳著，牟宗澤;托卡馬克放電過程中偏濾器位形的演化[J];核聚變與等離子體物理;1996年01期

6 吳繼紅,張斧,許增裕,嚴建成;偏濾器高熱負荷材料研究[J];核科學與工程;2003年02期

7 鄧柏權,彭利林,嚴建成,黃錦華;偏濾器材料濺射過程的數(shù)值研究(英文)[J];中國核科技報告;2003年01期

8 洪文玉;嚴龍文;程均;趙開君;錢俊;王明旭;;HL-2A裝置送氣和加料的脫靶特性[J];核聚變與等離子體物理;2008年04期

9 曲文孝,馮桂云;帶偏濾器的托卡馬克中等離子體穩(wěn)態(tài)徑向輸運的數(shù)值解[J];核聚變與等離子體物理;1982年04期

10 常小博;宋云濤;彭學兵;卯鑫;;聚變堆熔鹽冷卻偏濾器靶板結構設計與分析[J];核聚變與等離子體物理;2018年03期

相關會議論文 前10條

1 歐靖;;模擬分析在偏濾器脫靶狀態(tài)下的高馬赫數(shù)流[A];第十四屆全國等離子體科學技術會議暨第五屆中國電推進技術學術研討會會議摘要集[C];2009年

2 歐靖;;數(shù)值分析東方超環(huán)的偏濾器運行空間[A];第十五屆全國等離子體科學技術會議會議摘要集[C];2011年

3 彭海鷗;陳銀華;時桂芬;鄭聚高;;Tokamak邊緣區(qū)磁場混沌結構的研究[A];第十五屆全國等離子體科學技術會議會議摘要集[C];2011年

4 桑超峰;孫繼忠;戴舒宇;徐倩;王德真;;托卡馬克偏濾器瓦片縫隙等離子體及燃料滯留模擬研究[A];第十六屆全國等離子體科學技術會議暨第一屆全國等離子體醫(yī)學研討會會議摘要集[C];2013年

5 韓曉玉;余德良;段旭如;;HL-2A多道可見光譜系統(tǒng)測量的初步結果[A];第十三屆全國等離子體科學技術會議論文集[C];2007年

6 李敏;周宇璐;張寶玲;侯氫;;氦輻照鎢表面行為的分子動力學模擬研究[A];第五屆反應堆物理與核材料學術研討會、第二屆核能軟件自主化研討會會議摘要集[C];2011年

7 崔明煥;王志光;姚存峰;申鐵龍;龐立龍;孫建榮;朱亞濱;盛彥斌;魏孔芳;;氦離子轟擊引起的高純鎢硬化研究[A];第五屆反應堆物理與核材料學術研討會、第二屆核能軟件自主化研討會會議摘要集[C];2011年

8 吳振偉;;EAST偏濾器等離子體的邊界充氣實驗研究[A];第十四屆全國等離子體科學技術會議暨第五屆中國電推進技術學術研討會會議摘要集[C];2009年

9 張凌;吳振偉;明廷鳳;高偉;楊建華;查文清;;EAST雙零偏濾器位形邊界等離子體光譜輻射行為[A];第十四屆全國等離子體科學技術會議暨第五屆中國電推進技術學術研討會會議摘要集[C];2009年

10 張煒;常加峰;徐國盛;明廷鳳;王俊;顏寧;;EAST偏濾器探針診斷的實驗研究[A];第十四屆全國等離子體科學技術會議暨第五屆中國電推進技術學術研討會會議摘要集[C];2009年

相關重要報紙文章 前10條

1 本報記者 白宇;中法共推“人造太陽”項目發(fā)展[N];中國電力報;2018年

2 記者 張懿;中國“人造太陽”創(chuàng)兩項紀錄[N];文匯報;2012年

3 蕭林　記者 吳長鋒;“東方超環(huán)”2010年實驗獲多項重要突破[N];科技日報;2010年

4 記者 汪永安;“東方超環(huán)”物理實驗獲重大突破[N];安徽日報;2016年

5 本報記者 汪永安;合肥向實現(xiàn)“中國聚變夢”邁進[N];安徽日報;2019年

6 記者 汪永安;“東方超環(huán)”多項實驗獲重要突破[N];安徽日報;2010年

7 記者 吳長鋒;“東方超環(huán)”創(chuàng)造兩項世界紀錄[N];科技日報;2012年

8 本報記者 鄭煥斌;“人造太陽”背后的技術挑戰(zhàn)[N];科技日報;2013年

9 蔡敏楊文婷　;新一代“人造太陽”,多次成功放電[N];新華每日電訊;2007年

10 記者 汪永安;“東方超環(huán)”創(chuàng)兩項世界紀錄[N];安徽日報;2012年

相關博士學位論文 前10條

1 周一夫;雜質注入下的CFETR輻射偏濾器SOLPS模擬研究[D];中國科學技術大學;2019年

2 張洋;EAST裝置偏濾器靶板的可靠性研究[D];中國科學技術大學;2019年

3 徐厚昌;EAST適合高性能等離子體運行的偏濾器工程研究[D];中國科學技術大學;2018年

4 訾鵬飛;EAST下偏濾器結構優(yōu)化設計與關鍵技術研究[D];中國科學技術大學;2018年

5 史博;EAST輔助加熱下偏濾器靶板熱流分布研究[D];中國科學技術大學;2018年

6 張鵬飛;托卡馬克邊界雜質輸運相關研究[D];中國科學技術大學;2018年

7 胡萬鵬;托卡馬克偏濾器靶板侵蝕及一維刮削層物理的粒子模擬研究[D];大連理工大學;2018年

8 李航;托卡馬克中先進偏濾器平衡位形計算[D];中國科學技術大學;2017年

9 黃艷;邊界局域模熱負荷對鎢偏濾器靶板侵蝕的模擬研究[D];大連理工大學;2016年

10 戴淮初;CFETR偏濾器模塊及其遙操作兼容結構的設計與分析[D];中國科學技術大學;2017年

相關碩士學位論文 前10條

1 徐峰;Stark展寬用于計算EAST偏濾器脫靶等離子體電子密度的研究[D];中國科學技術大學;2018年

2 常小博;聚變堆高溫熔鹽冷卻偏濾器靶板概念設計與分析[D];中國科學技術大學;2017年

3 張倫;鎢偏濾器靶板粗糙表面在氘離子轟擊下的形貌變化模擬研究[D];大連理工大學;2016年

4 劉秀;CFETR偏濾器靶板概念設計與分析[D];中國科學技術大學;2016年

5 吳昊聲;基于SOLPS的CFETR雪花偏濾器的數(shù)值模擬[D];中國科學技術大學;2015年

6 鄭志佳;邊界等離子體輸運模式的模擬研究[D];大連理工大學;2016年

7 李玉東;碳和氘離子對偏濾器靶板粗糙表面侵蝕和沉積行為模擬[D];大連理工大學;2017年

8 陳夏華;托卡馬克第一壁鎢瓦塊邊緣效應研究[D];哈爾濱工程大學;2016年

9 許崇楊;基于可見/紅外相機診斷系統(tǒng)的托卡馬克等離子體相關特性研究[D];合肥工業(yè)大學;2017年

10 吳美薇;偏濾器靶板附近等離子體鞘層特性的模擬研究[D];大連理工大學;2012年

本文編號：2689313