大量气体注入热辐射环向不对称性的模拟研究

摘要

随着社会经济的快速发展，作为人类活动物质基础的能源的需求量将越来越大。全球能源展望的结果表明，清洁替代和电能替代将分别成为能源供应结构变化和终端能源结构变化的基本趋势。截至目前，托卡马克仍被认为是最有希望实现可控核聚变以解决全球能源危机的方案。但是在托卡马克装置放电运行过程中仍然存在着诸多的不稳定性，最为严重的情况则是等离子体大破裂的发生。伴随着等离子体大破裂的发生，第一壁材料以及偏滤器靶板将承受极大的热负荷，在装置壁中产生的强大电磁力会造成装置内部结构的破坏，同时大量高能逃逸电子形成的逃逸电流将对装置产生更大的危害。因此在国际热核聚变实验堆的建造中我们必须有相应的预案来避免等离子体大破裂的发生。如果等离子体破裂的发生在所难免，我们需要采取相应的措施来缓解等离子体破裂，从而降低破裂给装置带来的危害。 大量气体注入是在托卡马克运行即将发生破裂时，人为地将大量杂质气体注入到热等离子体中，通过电离、辐射以及复合等冷却物理过程，从而有效降低第一壁材料和偏滤器靶板上的热沉积和电磁力。近年来实验和理论研究表明，大量杂质气体缓解破裂主要分两个阶段。在预热淬灭阶段，杂质气体与局部边界等离子体的混合产生冷却和辐射，该阶段热辐射通常是局域的；在热淬灭阶段，粒子沿磁力线在环向的输运，导致热辐射的环向展宽，同时大量气体注入会诱发宏观磁流体不稳定性，在DIII-D上进行的实验和数值模拟已经证实有振幅较大的不稳定性模出现。该不稳定性模在一定的条件下在芯部等离子体与边界杂质之间产生明显的热量对流过程，最终使得在三维空间上产生增强的热辐射，同时杂质气体沿径向方向产生对流与混合，从而实现等离子体的破裂缓解。杂质气体的吸收与混合在一定程度上可增强芯部杂质密度，从而抑制逃逸电子的产生。大量气体注入会产生环向和极向不均匀分布，由此而产生热辐射功率的环向不对称性。 本文首先详细给出大量气体注入缓解破裂热辐射环向不对称性的模拟结果。首先从时间的角度上将大量气体注入缓解破裂划分为三个阶段：预热淬灭阶段、热淬灭阶段和电流淬灭阶段，并结合各个变量的变化对三个阶段中发生的物理过程进行了详细的分析。在预热淬灭阶段，进入到分界面内的杂质在与等离子体发生碰撞后被电离，然后在磁场的作用下向高场侧扩散。在热淬灭阶段，等离子体将从高场侧被推向低场侧。紧接着我们着重讨论了大量气体注入破裂缓解中杂质的混合率和吸收率以及热辐射环向不对称性。吸收率在热淬灭阶段仅能达到3%，热辐射环向峰化因子达到了1.74。最后结合J-TEXT实验结果对上述的模拟结果进行了简短的讨论。

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