EAST辅助加热下偏滤器靶板热流分布研究

摘要

高参数长脉冲稳态运行是EAST的主要目标。在高参数稳态运行中，等离子体与器壁尤其是偏滤器长时间的强烈相互作用，使得偏滤器面临高温度、高热流的风险，而偏滤器靶板的温度和热流分布受到加热方式、磁场位形及靶板结构等诸多因素影响，这些因素对偏滤器靶板温度、热流影响的研究不仅有助于物理机制的理解，也为装置的安全运行提供一定的保障，为下一步的工程设计提供一定的参考。本文以红外测温为主要手段，提取温度数据进行分析，并通过DFLUX程序和ANSYS对达到偏滤器靶板的热流进行了计算。研究了射频波和中性束注入(NBI)对上、下偏滤器热流、温度分布的影响，磁场位形对热流峰值和热流分布的影响，以及偏滤器结构不同造成的上、下靶板热流的不对称;计算了高功率运行中I型边界局域模(ELMs)给下外、上外靶板带来的高热流;为对比长脉冲运行过程中不同靶板材料的热能传导能力，分析了上、下偏滤器热平衡特征时间。主要研究结果有:
　　1.加热方式影响偏滤器热流分布实验研究。在单独低杂波辅助加热的下单零位形放电中，当ELMs的频率小于50Hz时，ELMs在偏滤器下外靶板上产生了较宽的极向热流分布，其半高全宽是相近条件下低杂波和NBI共同加热时的两倍多。经过大量分析还发现，下单零位形放电中，低杂波功率如果超过1.2MW，在开始工作时常在偏滤器下外靶板产生非常宽的热流分布，而低杂波注入时如果NBI已经在工作，则不会出现，说明NBI会影响低杂波引起的热流分布。当NBI功率较大时，会在偏滤器上外靶板上造成局部的能量沉积。低杂波加热下ELMs时的极向热流分布与ELM-free相比，不但热流值有较大增加，其半高全宽也有较大增长。偏滤器靶板的极向温度/热流分布还与边界局域模频率相关:当ELMs的频率小于50Hz时，以射频波加热为主的偏滤器极向热流/温度分布比NBI为主加热的分布宽;当ELMs的频率在150Hz左右时，则以射频波加热为主的极向热流/温度分布比NBI为主加热的分布窄。对低杂波加热下的H模放电中下外靶板温度/热流分布分析发现环向的不对称性。环向上，在低温区域，随着峰值温度/热流的升高，温度/热流径向分布曲线半高全宽减小得很快;但在高温区域，温度/热流曲线半高全宽并没有随着峰值温度迅速减小，而是变化不太大，高温区的温度是整体升高的，没有在极小的范围内形成极高热流。
　　2.磁场位形影响偏滤器热流分布实验研究。磁场位形影响靶板热流，主要原因是B×▽B的方向。对低杂波辅助加热双零位形放电中偏滤器上外、下外靶板温度分布进行了分析，发现上外靶板温度高于下外靶板，且上外靶板温度分布较宽，下外靶板温度分布较窄，这是磁场位形导致的，但也包括靶板结构和辅助加热的部分影响。对ICRH加热下的下单零、上单零和双零位形放电中偏滤器靶板热流分布分析得到，在上、下靶板材料、结构相同的情况下，外靶板热流大于内靶板，尤其是双零位形下上外靶板峰值热流达到了上内靶板峰值热流的约4倍，上外靶板峰值热流是下外靶板峰值热流的6倍。
　　3.偏滤器结构影响热流、温度的研究。通过TSC对双零位形下破裂时偏滤器靶板的热流进行了数值模拟，结果显示，破裂时偏滤器上外靶板的热流值最高，达到了7.94MW/m2，是上内靶板热流的1.6倍，是下外靶板的1.33倍，说明了EAST偏滤器结构不同造成的不对称性。对上、下偏滤器热平衡特征时间进行了对比，分析了超过60s的下单零位形放电，发现石墨偏滤器靶板温度的增长虽然越来越缓慢，但在整个放电中都是在不断地升高，直到辅助加热停止工作;对上单零长脉冲放电过程中ITER-like钨铜偏滤器靶板温度时间演化分析可得，在辅助加热开始约8～13s后靶板温度基本达到准稳态，与石墨偏滤器相比，钨铜偏滤器具有良好的导热性能。
　　4.高功率运行中上、下靶板高脉冲热流研究。在辅助加热功率约4MW的下单零位形放电中，不管是单独射频波还是射频波和NBI共同加热，ELMs都在偏滤器下外靶板上产生了约4MW/m2的瞬时热流。同样是辅助加热功率约4MW的情况，上单零位形放电中ELMs在偏滤器上外靶板产生了约十几MW/m2的脉冲热流，比下外靶板峰值热流大很多，这是由多种原因造成的，包括B×▽B的方向和靶板结构等。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 托卡马克简介

1．3 稳态反应堆的问题

1．3．1 等离子体约束

1．3．2 等离子体输运

1．3．3 等离子体与壁相互作用

1．4 偏滤器热流产生的原因及带来的问题

1．4．1 等离子体破裂

1．4．2 边界局域模

1．4．3 辅助加热

1．5 偏滤器靶板热流研究现状

1．6 本文的研究内容及意义

第2章 红外测温诊断系统

2．1 红外测温原理

2．2 红91,N"温系统在托卡马克上的应用

2．3 EAST上的红外测温诊断系统

2．3．1 EAST上的红外／可见集成式内窥镜系统

2．3．2 红外测温的影响因素

2．4 本章小结

第3章 偏滤器热流计算方法

3．1 传热基础

3．2 边界鞘理论能流计算

3．3 热流计算程序DFLUX

3．3．1 一维半无限大模型

3．3．2 二维热流计算程序DFLUX

3．4 水冷条件下钨偏滤器热流的数值计算

3．5 数值模拟程序TSC简介

3．6 本章小结

第4章 高功率运行中偏滤器靶板热流分布研究

4．1 加热方式影响偏滤器热流分布实验研究

4．1．1 NBI／LHW主导加热下偏滤器极向热流沉积特征

4．1．2 ELM／ELM-free偏滤器极向热流沉积特性

4．1．3 LHW主导加热下偏滤器环向热流沉积特征

4．1．4 高功率运行下偏滤器热流实验研究

4．2 磁场位形影响偏滤器热流分布实验研究

4．2．1 LHW加热双零位形偏滤器热流沉积特征

4．2．2 ICRH加热不同磁场位形条件下偏滤器热流沉积特征

4．3 偏滤器几何结构影响热流研究

4．4 本章小结

第5章 长脉冲运行模式下偏滤器热响应实验研究

5．1 偏滤器热平衡特征时间

5．2 长脉冲运行下ELMs频率影响偏滤器温度分布实验研究

5．3 本章小结

第6章 全文总结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果