HL-2M装置内部输运垒湍流输运的GTC模拟研究

HL-2M托卡马克是我国新一代磁约束聚变等离子体装置,目前已经实现了等离子体电流1 MA的高参数运行模式。本文采用回旋动理学GTC(Gyrokinetic Toroidal Code)程序,研究了具有双输运垒结构的先进运行模式下该装置内部输运垒(Internal Transport Barrier,ITB)的湍流输运。研究结果表明:ITB湍流输运呈现两次连续饱和过程,计算获得的平均离子热扩散系数约为首次饱和水平的两倍。对湍流发展的极向谱和线性色散关系的研究表明,第一次饱和湍流输运由波长kθρi~2.15的短波模式主导,而第二次饱和以kθρi~0.49的长波模式主导;同时,体系湍流的能量由短波模式反向级联到长波模式,湍流饱和阶段径向热扩散系数在输运垒位置处呈现“M”形分布。考虑等离子体带状流结构,数值模拟结果表明:该运行模式下带状流对湍流输运饱和水平没有明显的影响。此外,输运垒等离子体温度和密度梯度最大处对应的湍流饱和期的径向离子热扩散系数最低,极大地增强了对等离子体的约束。

HL-2A等离子体平衡响应建模和仿真研究

根据基尔霍夫电律和牛顿力学,推导出了HL-2A等离子体平衡响应线性模型。基于matlab/simulink仿真平台并利用HL-2A装置历史实验数据,对等离子体响应模型进行了仿真分析。结果表明,此响应模型能够较好地反映极向场线圈电压与等离子体参数、磁通、磁场等物理量之间的关系,可以作为HL-2M装置位形控制器的研究设计基础。

磁镜场约束等离子体的粒子模拟

用PIC粒子模拟的方法描绘具有初始速度分布的等离子体在磁镜场中的运动状态 ,得出等离子体在磁镜场中的运动轨迹图 ,形象表现了磁镜场对等离子体的约束作用 ,表明用PIC粒子模拟方法探索在磁镜场中等离子体运动的物理过程和规律是可行的和有效的 .

等离子体离子源磁场分布数值计算

在离子源的设计中 ,为了减少等离子体的器壁复合损失 ,经常采用磁场对等离子体进行约束 ;但磁场分布的复杂性 ,给实际测量带来了困难 .介绍采用磁荷法对低能辐照离子源中磁场分布进行计算 ,给出了计算结果 ,并讨论了误差可能产生的原因及其影响 .计算结果对于离子源设计中的阴极热电子发射、离子束有效引出面积确定及等离子体的有效约束等重要问题有一定参考价值 .

HL-2M装置实时等离子体平衡重建算法

利用模拟得到的平衡数据进行了等离子体平衡重建,将结果与准确的平衡结果进行细致对比,验证实时等离子体平衡重建程序的准确性;同时在模拟产生平衡数据的过程中引入随机误差,验证反演程序的强壮性。此外,实时等离子体平衡重建程序还使用EAST装置的实验数据进行反演,将反演结果与EAST的RTEFIT反演结果对比,验证了单一时间平衡重建结果和连续时间反演结果的正确性。结果表明,选择合适的电流分布模型和磁诊断数据,通过等离子体平衡重建算法可以正确识别等离子体位形。

聚变等离子体中高能量粒子驱动的鱼骨模不稳定性研究

在考虑高能量粒子密度的空间分布及箍缩角分布的条件下,建立了研究鱼骨模的色散关系,并作了数值研究。结果表明:当高能量粒子的密度高于某个阈值时,鱼骨模会在高能量粒子密度梯度最大处被激发,其频率与高能量粒子的环向进动频率一致。在高β_h区间,高能量勉强通行粒子将驱动鱼骨模进入第二稳定区。高能量捕获粒子能激发非共振鱼骨模,与勉强通行粒子激发的鱼骨模类似,在高β_h区存在第二稳定区。

“荧光-1”装置上反场构形的优化设计

相较于传统的惯性约束聚变及磁约束聚变,磁化靶聚变技术可能是一种实现纯聚变更低廉更有效的途径。针对中国工程物理研究院流体物理研究所设计的"荧光-1"实验装置,利用二维磁流体力学模拟程序MPF-2D,从理论上详细分析了各实验输入参数(如初始磁场、初始密度、主磁场等)对该装置上反场构形性质的影响。为即将进行的实验推荐了三组实验输入参数:初始磁场0.3T,初始密度7×1015 cm-3,磁镜场-2.0^-1.0T,主磁场-4.0^-3.0T。

EAST中性束注入角度的NUBEAM模拟研究

采用蒙特卡罗程序NUBEAM对EAST NBI上的中性束注入角度(中性束系统中心线与注入窗口轴线的夹角)进行了分析。讨论了中性束注入角度对电流驱动效率、加热效率和束的穿透功率的影响,对EAST NBI系统选取了一个最优的注入角度。模拟结果表明:对EAST NBI系统,在典型的EAST实验参数和实际工程允许的范围内,19.5°是最优的注入角度。在此注入角度下,可以通过增大等离子体密度的方法来进一步提高加热效率和电流驱动效率,并减少束的穿透功率。

球环位形磁流体平衡的数值模拟

对原有的托卡马克平衡编码SWEQU进行了改进,使之适用于小环径比球形环装置的磁流体研究。用改进后的平衡编码SWEQU模拟了放电初始阶段等离子体平衡位形的演化及稳态阶段的双零偏滤器平衡位形。结果表明,不但可以得到球形环装置稳态阶段的平衡位形,也可以模拟等离子体电流上升阶段平衡位形的演化过程。

低能高束流氩离子源的结构及性能

离子源技术是等离子体研究中的一项重要内容,而低能大束流源则是离子源技术研究中的一个重要方向,因为这样的源在离子束刻蚀、离子束溅射镀膜以及荷能粒子与物质相互作用方面都有广泛的应用;本文采用空心阴极空心阳极结构,用热阴极电子发射弧放电驱动并用磁场约束产生等离子体,用曲面发射引出离子束,研制成了氩气放电溅射离子源;研究了灯丝加热电流、弧压对弧流的影响和弧流与工作气体压力对离子束引出的影响规律。离子源的引出电压在0—4.0kV之间连续可调,最大引出束流为100mA,束斑面积为φ6.0cm,以Ti为溅射靶时的最大溅射沉积率为0.45nm/s,离子源可连续工作160h。

电子束潘宁阱非中性等离子体中电子聚心约束实验

介绍了电子束潘宁阱非中性等离子体实验。利用具有小正则角动量电子束的注入,在装置中形成了有稠密核心的电子等离子体。当潘宁阱中电磁场匹配时,约束电子的散射最强。注入电子束的束流强度超过一定的阈值时,电子聚心状态才能形成。阈值与潘宁阱电场成正比。

蒙特卡罗碰撞算法在CHIPIC软件中的数值实现

分析离子源中电子所参与的碰撞,利用电子与其它粒子间的空碰撞模型,研究电子之间的库仑碰撞,采用不同的存储和调用机制研制了两种碰撞模型的蒙特卡罗碰撞处理模块,将数值模块添加到粒子模拟软件CHIPIC中,对离子源JAERI 10A进行模拟验证,通过对模拟结果的分析,表明所设计的三维MCC算法正确.

核聚变的箍缩效应

从流体力学方程和电磁场理论出发,导出磁流体动力学方程组,从而清晰得出流体核聚变被磁场约束在一定域内的原理,并以太阳演变为“白矮星”过程为例,阐明箍缩效应在热核聚变反应中的作用.介绍四种典型的磁约束装置,其中无线长圆柱形导电体为理想状态,无法实现,JET是目前正在使用中的世界上最大的托卡马克装置,而未来最有发展前景的可能是串列磁镜组成的巨型马克堆.

EAST等离子体放电涡流计算

在托卡马克放电中,由极向场线圈、等离子体电流在真空室上感应产生的涡流对等离子体放电有重要影响,由此感应产生的涡流会反过来在等离子体区域、极向场线圈中产生感应电流,因此,有必要对涡流分布进行准确计算,以实现对等离子体放电的反馈控制。本文将真空室划分为40个单匝环,利用高速CCD图像采集系统获得等离子体放电图像,并通过图像处理获得等离子位置,运用最小二乘法对真空室涡流分布进行计算。将计算结果与EAST放电实验测量数据进行比较,获得了较理想的结果。

抽气对HL-2A装置偏滤器靶板热负载的影响研究

磁约束核聚变托卡马克装置来自芯部的高强热流与偏滤器靶板相互作用,不但会直接影响偏滤器寿命,同时会产生大量杂质影响等离子体芯部性能,而抽气是控制等离子体密度和杂质密度的重要手段。本文基于环流2号托卡马克(HL-2A)装置利用SOLPS-ITER程序研究了不同上游电子密度条件下抽气对偏滤器靶板热负载的影响。通过密度扫描发现在脱靶阈值(T^(OSP) _(et)-5 eV)附近抽气对靶板热负载影响更大,在抽气速率分别为12 m^(3)·s^(−1)、36 m^(3)·s^(−1)和96 m^(3)·s^(−1)时,外靶板脱靶阈值和热负载峰值分别为无抽气条件下的1.11、1.24、1.39倍和1.37、1.96、2.54倍。进一步从原子分子碰撞过程分析了n_(e,sep)=0.19×10^(19)m^(−3)、0.6×10^(19)m^(−3)、0.9×10^(19)m^(−3)上游密度条件下抽气对偏滤器区等离子体和中性粒子参数分布的影响,发现在脱靶后密度条件下抽气会使氘分子密度明显降低,碰撞反应损耗的能量降低,从而导致靶板等离子体温度和能流增加。

离子推力器束流均匀性改善方法研究

束流均匀性是离子推力器的一个重要指标,其代表离子推力器栅极整个引出平面上引出束流密度的均匀程度,一般用束流平直度来表示。从产生均匀束流的必要条件出发,讨论了离子束流均匀性影响因素,并对其影响机理进行了分析。根据讨论结果对典型离子推力器的束流均匀性进行了对比分析。最后总结给出了离子推力器束流均匀化设计应遵循的一般原则。

HL-2A等离子体位形重建研究

采用了新的放电方案,消除了环向场对磁测量的影响。通过修改信号调理电路,解决了积分器不能响应磁通快速变化的问题;通过改进磁测量的标定方法,在准确标定磁通和极向磁探针测量的同时,有效地标定了径向磁探针的测量信号。输入这些有效标定数据后,EFIT能快速收敛,获得了准确可靠的位形重建结果,与探针、氢阿尔法和CCD等诊断结果很好符合。同时介绍了自行研制的s FIT位形重建代码,该代码得到的位形重建结果,与EFIT反演结果一致。

外磁场对直流等离子体炬放电特性的影响

介绍了新研制的磁约束直流等离子炬设备，计算了螺旋管线圈的磁场分布，通过实验研究了磁场变化对等离子体炬放电特性和伏安特性的影响。在氩－氢等离子体的放电体系中，利用静电双探针测量了离阳极喷口８０ｍｍ处等离子体电子温度和密度沿径向的分布。结果表明，外磁场的存在使等离子炬运行参数范围增大。

识别TdeV托卡马克等离子体的边界和中心位置(英文)

用虚壳原理可以得到TdeV托卡马克等离子体边界、电流中心和X点。用最小二乘法可以确定Glad Shafranov方程解中的待定参数。用探针测量极向磁场 ,初始时等离子体电流被看作是线电流 ,然后被虚壳电流代替。这个虚壳电流在等离子体内部产生负的约束磁场 ,在等离子体外部产生的磁场与等离子体电流产生的磁场一致。所用的叠代法充分快 ,可以在两次放电间给出等离子体图象。重建的位形与TV成像非常一致。

CT-6B托卡马克的交流运行实验研究

在CT-6B托卡马克上首次实现了多周期交流运行,对多个周期中等离子体进行比较发现,尽管在每个周期的两个半周中等离子体与壁的相互作用有所不同,但等离子体中的杂质积累并未受到严重影响。通过内磁探针测量了等离子体电流密度的分布,发现等离子体电流首先从弱场区开始反相,电流反相过零时同时存在正负局部等离子体电流,此时的磁面结构有效地约束了粒子。