磁约束等离子体边界层里杂质辐射的研究

摘要

磁约束聚变装置是当前世界上研究受控热核聚变的主要装置，装置里位于芯部等离子体与第一壁之间的边界等离子体，由于和第一壁直接相互作用，因此等离子体中杂质的存在不可避免。根据实验条件及装置使用材料的不同，等离子体中杂质种类在从低Z杂质到高Z杂质一个很宽的范围内分布。边界层中的杂质离子会因为受到各种力的作用进入到芯部，从而污染芯部等离子体，杂质所产生的辐射功率损失使等离子体的温度降低，最终可导致等离子体约束时间减小并可导致等离子体熄灭。可见，边界等离子体行为将直接影响磁约束聚变装置及未来聚变堆的排灰、排热和杂质控制，边界层杂质问题的研究是托卡马克类磁约束聚变装置研究的前沿课题。
　　由于磁约束聚变研究中边界等离子体输运过程的复杂性，其主要的理论研究手段是借助大型数值模拟程序来进行边界等离子体（偏滤器物理）的研究。EMC3-EIREN是当今世界上唯一的研究三维边界等离子体和杂质输运的并行程序包，它采用了蒙特卡罗模拟方法来求解流体模型的输运方程组。该大型模拟程序包以聚变装置的真实边界几何位形为计算区间，紧密结合了边界层具体物理参数，因而模拟结果能充分体现具体装置边缘等离子体的特性，是当前tokamak和仿星器边界输运研究的重要工具，本论文应用大型数值模拟程序
　　EMC3-EIRENE程序模拟了ITER装置在电流爬升阶段，分立限制器溅射出来的铍杂质在边界层的三维输运和辐射功率，得到了铍杂质的密度分布特性等；同时自编程序在日冕平衡和非日冕平衡（考虑杂质输运效应）条件下分别计算了等离子体边界sol层里，铍（Be）杂质各个价态辐射的总功率，并和三维程序EMC3-EIRENE的计算结果作对比，结果符合很好。开展该模拟研究对于研究有关ITER边界等离子体输运的科学问题具有一定的意义。

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第一章 绪 论

1.1引言

1.2 核聚变与核聚变装置发展史

1.3托卡马克装置边界杂质的产生

1.4杂质辐射损失问题研究的重要性

1.5本文结构

第二章 边界杂质产生的机制

2.1杂质的产生

2.2 边缘等离子体杂质产生的机制

2.3杂质的分布于测量

2.4本章小结

第三章 边界等离子体输运的模拟程序简介

3.1 边界等离子体输运模拟的重要意义

3.2 边界等离子体模拟程序EMC3_EIRENE简介

第四章 ITER装置启动时刮削层中铍杂质输运的三维数值模拟和日冕、非日冕平衡条件下解析求解的比较

4.1 等离子边界层里Be杂质各价态分析

4.2 ITER装置启动时刮削层中铍杂质输运的三维数值模拟

4.3 ITER装置启动时刮削层中铍杂质输运在日冕、非日冕平衡条件

4.4 日冕、非日冕平衡条件下解析求解和三维数值模拟结果的比较

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

硕士期间发表文章

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