發(fā)布時(shí)間：2020-11-21 23:57

　　 偏濾器靶板熱負(fù)荷是關(guān)系到未來(lái)聚變堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的一個(gè)重要問(wèn)題。偏濾器靶板的熱負(fù)荷由邊界等離子體的行為決定。邊界等離子體的數(shù)值模擬可以更好地理解邊界等離子體行為,從而可以更加深入地研究偏濾器靶板熱負(fù)荷問(wèn)題。等離子體/中性粒子流體輸運(yùn)程序SOLPS是一個(gè)被廣泛用于托卡馬克邊界等離子體(包括最外層閉合磁面之內(nèi)的部分區(qū)域,刮削層(SOL)以及偏濾器區(qū)域)模擬的程序包。由于SOLPS中的粒子輸運(yùn)系數(shù)Dr,電子熱輸運(yùn)系數(shù)χe和離子熱輸運(yùn)系數(shù)χi是由人為設(shè)定的,由此對(duì)SOLPS的模擬計(jì)算會(huì)帶來(lái)一定的不確定性。而包含有六場(chǎng)雙流體模型的三維湍流輸運(yùn)程序BOUT++通過(guò)對(duì)于湍流的模擬可以獲得粒子輸運(yùn)系數(shù),電子熱輸運(yùn)系數(shù)和離子熱輸運(yùn)系數(shù)。因此我們考慮將輸運(yùn)程序SOLPS的最新版本SOLPS-ITER與BOUT++程序中的六場(chǎng)雙流體模型進(jìn)行耦合。SOLPS-ITER為BOUT++提供密度,電子溫度以及離子溫度的背景分布,BOUT++為SOLPS-ITER提供相應(yīng)的輸運(yùn)系數(shù)。耦合迭代過(guò)程中兩個(gè)程序在各自的時(shí)間尺度上演化。隨著迭代次數(shù)的增加,相鄰兩次迭代之間的分布差異變得越來(lái)越小,兩個(gè)程序之間的耦合趨向于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。SOLPS-ITER/BOUT++耦合首先應(yīng)用于EAST邊界層和偏濾器等離子體的模擬研究。作為耦合模擬的具體應(yīng)用和實(shí)例,我們使用EAST#56129放電t=5.55s時(shí)的下單零平衡位型為兩個(gè)程序提供網(wǎng)格文件。計(jì)算模擬的區(qū)域?yàn)閺摩譔=0.85到ψN=1.05。兩個(gè)程序的網(wǎng)格數(shù)為200× 64。在不同的迭代次數(shù),密度、離子溫度和電子溫度的徑向分布呈現(xiàn)出一定的振蕩。經(jīng)過(guò)八次到九次迭代后,密度、離子溫度和電子溫度相鄰兩次的分布隨迭代次數(shù)的增加而呈現(xiàn)越來(lái)越小的差異。這意味著迭代過(guò)程趨近于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。驗(yàn)證了SOLPS-ITER/BOUT++耦合的收斂性。為了驗(yàn)證 SOLPS-ITER/BOUT++耦合的有效性,利用 SOLPS-ITER/BOUT++耦合模擬得到的EAST#36780放電t=3.4s偏濾器靶板等離子體溫度、密度、粒子流和熱流分布被用來(lái)與Langmuir探針的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。計(jì)算模擬區(qū)域?yàn)閺摩譔=0.9到ψN=1.03,使用的網(wǎng)格數(shù)為132×64。兩個(gè)程序經(jīng)過(guò)17次迭代之后,密度與溫度兩個(gè)連續(xù)分布之間的變化率小于1%,同時(shí)輸運(yùn)系數(shù)的變化率也呈現(xiàn)出越來(lái)越小的趨勢(shì),表明兩個(gè)程序的耦合趨于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。SOLPS-ITER/BOUT++耦合模擬的EAST偏濾器靶板的電子密度,溫度,粒子流f,熱流P以及離子飽和流jsat的分布,在考慮測(cè)量誤差的情況下,耦合模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量有比較好的符合。SOLPS和BOUT++有獨(dú)立的網(wǎng)格生成工具,為了更準(zhǔn)確地研究SOLPS與BOUT++的耦合問(wèn)題,我們利用SOLPS的計(jì)算網(wǎng)格代替BOUT++的計(jì)算網(wǎng)格,從而使模擬網(wǎng)格保持完全一致。我們發(fā)現(xiàn)BOUT++程序利用SOLPS網(wǎng)格計(jì)算得到的密度和溫度在中平面處的分布與利用BOUT++網(wǎng)格的密度和溫度分布非常接近。SOLPS網(wǎng)格與BOUT++網(wǎng)格在偏濾器區(qū)域的分布存在一定的差異,使得利用SOLPS網(wǎng)格得到的密度和溫度分布與利用BOUT++網(wǎng)格得到的密度和溫度分布在偏濾器靶板處存在一定的差異。BOUT++利用SOLPS網(wǎng)格計(jì)算得到的輸運(yùn)系數(shù)對(duì)于SOLPS程序的模擬計(jì)算結(jié)果有比較小的影響。利用共同的SOLPS網(wǎng)格對(duì)于SOLPS/BOUT++耦合模擬具有重要意義。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TL631.24
【部分圖文】：

?第１章緒論???１?＾?＾?ｒ?ｒ?Ｉ?Ｗ?｜?１?｜?ｔ?＼?＾?Ｉ?ｒ?ｒ?ｆ?＾???ｌ＾ｒ?“??（?７〇＾??（ｍ２）?■?／?Ｄ－Ｄ／／??刀＇??ＫＴ３＇?ｆ?／?０－１１６５?￣??ｊ〇￣３２?ｉ?ｉ?亀，ｉ／ｉ？ｌ?Ｉ?ｉ?ｔ?／ｉ?＞?§?ｉ?ｉ?ｔｌ?ｉ?ｉ??１?１０?１００?１０００??Ｄｅｕｔｅｒｏｎ?ｅｎｅｒｇｙ?（ｋｅＶ）??圖１．１?Ｄ－Ｔ，?Ｄ－Ｄ，?Ｄ－３Ｈｅ反應(yīng)的聚變截面，取自文獻(xiàn)［３］。??對(duì)實(shí)際反應(yīng)堆來(lái)說(shuō)，通過(guò)熱傳導(dǎo)和對(duì)流方式的損失是最大的能量損失。而聚??變反應(yīng)要達(dá)到自持，而且還要有能量的輸出，就需要滿足一定的條件。１９５７年，??英國(guó)科學(xué)家勞森計(jì)算了高溫聚變等離子體的能量平衡關(guān)系，導(dǎo)出了使得熱核聚變??反應(yīng)堆的聚變反應(yīng)能夠自持的條件：等離子體的密度與約束時(shí)間的乘積要大于某??一定值，即勞森判據(jù)［４］：??ｎＴ＞?卯—＂）??（１．２）??ｊｊ／（＼－ｒｊ）＾ｃｒｖ）Ｅ／ｅ－ａＴＵ２??其中》是等離子體密度，ｒ是約束時(shí)間，／／為反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化因子，??ｒ?yàn)闇囟�，＜〇■〇為反�?yīng)率系數(shù)。在氖氖或氘氖反應(yīng)的情況下，ａ?＝?４．９ｘｌ０＿３７。??考慮到氘氚聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的《粒子具有一定自加熱效應(yīng)，可以利用該效應(yīng)??使得氘氚聚變反應(yīng)能夠自持。首先可以利用外部輔助加熱方法使得氘氚等離子體??加熱到足夠高的溫度，實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)；之后，在氘氣等離子體存在足夠好的約束??的情況下，可以關(guān)閉外部輔助加熱，利用《粒子的自加熱效應(yīng)也可使得聚變反應(yīng)??能夠長(zhǎng)期維持下去。自持燃燒條件即點(diǎn)火條件為要求ａ粒子的功率等于或大于等??離子體總的損失功率，由

ｉｚｅｄ?ｍｏｄｅｓ，ＥＬＭｓ）的控制［２３－２５］，??Ｌ－Ｈ轉(zhuǎn)換［２６，?２７］等方面也取得了很多重要進(jìn)展。目前ＥＡＳＴ已成為國(guó)際上穩(wěn)態(tài)磁??約束聚變研宄的重要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并且可以為ＩＴＥＲ以及目前正在積極籌劃的中國(guó)??聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（Ｃｈｉｎａ?Ｆｕｓｉｏｎ?Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ?Ｔｅｓｔ?Ｒｅａｃｔｏｒ，ＣＦＥＴＲ?＞［２８，?２９］工程提供??相關(guān)的支持。??Ｃｅｎ，ｒａ，?Ｂｌａｎｋｅｔ?Ｍｏｄｕｌｅ??Ｍａｃｈｉｎｅ?Ｇｒａｖｉｔｙ??５４?ｃａｓｓｅｔｔｅｓ??圖１．２國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆ＩＴＥＲ的主要部件，取自文獻(xiàn)［１８］。??１．３高約束運(yùn)行模式??１９８２年，高約束運(yùn)行模式（Ｈ模）由Ｗａｎｇｅｒ團(tuán)隊(duì)在德國(guó)的ＡＳＤＥＸ裝置中??首次發(fā)現(xiàn)［３０］。Ｈ模的出現(xiàn)可以極大的提高托卡馬克裝置的約束水平。它的主要??６??

?第１章緒論???特點(diǎn)是，在等離子體邊界區(qū)域形成邊界輸運(yùn)壘從而產(chǎn)生一個(gè)臺(tái)基區(qū)（ｐｅｄｅｓｔａｌ）。??在該區(qū)域等離子體具有非常大的壓強(qiáng)，溫度以及密度梯度，如圖１．３所示。自Ｈ??模在ＡＳＤＥＸ上被首次發(fā)現(xiàn)之后，世界上各個(gè)托卡馬克裝置中都發(fā)現(xiàn)了?Ｈ模。我??國(guó)的ＨＬ－２Ａ裝置于２０１０年通過(guò)電子回旋波加熱（ＥＣＲＦ），中性束注入（ＮＢＩ）??等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了?Ｈ模放電［３１］。此平后ＥＡＳＴ裝置也在２０１１年實(shí)現(xiàn)了?Ｈ模運(yùn)??行［３２］。目前，Ｈ模被認(rèn)為是ＩＴＥＲ的主要運(yùn)行模式之一。??１??Ａｄｖａｎｃｅｄ?Ｍｏｄｅ??＼?Ｉｔｅｒｎａｌ?Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ?Ｂａｒｒｉｅｒ??ｌ?＇＾Ｈ－Ｍｏｄｅ?＼＾／?（ＩＴＢ）??Ｉ??Ｌ－?Ｍｏｄｅ?Ｅｄｇｅ?Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ?Ｍｏｄｅｓ??…―．．．ｘｉ（ＥＬＭＳ，??Ｅｄｇｅ?Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ??Ｐｅｄｅｓｔａｌ?Ｂａｒｒｉｅｒ?（ＥＴＢ）??？?（ｍｏｄｅ?Ｈ）??〇?１??ｎｏｒｍａｌｉｓｅｄ?ｒａｄｉｕｓ?ｒ／ａ??圖１．?３高約束運(yùn)行模式中的壓強(qiáng)剖面示意圖，取自參考文獻(xiàn)［３３］。??實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)，只需要加熱功率足夠高就能夠產(chǎn)生Ｈ模，并且Ｈ模出現(xiàn)并不依賴??加熱方式。在高約束模運(yùn)行時(shí)，通常伴隨有邊界局域模的產(chǎn)生［３４－３７］。由于在Ｈ??模的運(yùn)行模式下，臺(tái)基區(qū)的壓強(qiáng)梯度和電流都很高，因此存在有大量的自由能，??使得臺(tái)基區(qū)的等離子體非常不穩(wěn)定。托卡馬克運(yùn)行時(shí)，粒子和能量會(huì)持續(xù)地從芯??部輸運(yùn)到臺(tái)基區(qū)的頂部，使得臺(tái)基區(qū)的梯度越來(lái)越大，不穩(wěn)定性越來(lái)越高，最終??發(fā)生崩塌。此時(shí)，臺(tái)基區(qū)附近的磁面被破壞，在極短的時(shí)間內(nèi)大量的等離子體越??過(guò)最外層閉
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