粒子箍缩效应及加料深度对于托卡马克反应堆性能影响的研究

摘要

本文通过数值求解相互耦合的能量输运方程与粒子输运方程，模拟了在国际热核实验反应堆参数下聚变等离子体的温度和密度演化。模拟中等离子体主要由氘氚聚变反应生成的阿尔法粒子加热。对于聚变反应带入输运方程中的非线性项，使用了预估-校正方法进行处理并利用能量约束时间定标律求得输运系数。模拟得到的聚变性能与之前文献采用其他方法计算的结果符合较好。之后考虑了粒子箍缩效应，在程序中加入对应的径向箍缩粒子流并模拟等离子体在不同条件下的演化。研究发现，粒子箍缩效应对于聚变反应堆的聚变性能和剖面性质具有显著影响。在同样的平均密度下，粒子箍缩效应可以使得反应堆的台基密度显著降低并维持相近的聚变性能和芯部压强。而在具有同样粒子注入源或台基密度的情况下，粒子箍缩效应可以显著的提高反应堆聚变性能，并使得芯部压强明显提高。
　　此外，在上述工作的基础上，研究了粒子加料深度对于聚变反应堆的粒子约束性能和聚变性能的影响。通过将输运方程的边界从最外层封闭磁面扩展到装置壁并在方程中加入平行损失项，将刮削层中粒子沿开放磁力线逃逸造成的粒子和能量损失包含在了模拟中。在对比不同注入深度的算例后，发现聚变反应堆的粒子约束性能和聚变性能明显依赖于加料深度。更深的加料深度会带来更高的粒子约束性能，并进而提高反应堆的聚变性能。

目录

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摘要

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算法索引

主要符号对照表

第一章 绪论

1．1 受控核聚变概述

1．2 聚变等离子体的能量平衡与聚变增益

1．3 托卡马克简介

1．4 托卡马克中的输运

1．4．1 新经典输运

1．4．2 反常输运与能量约束时间定标律

1．4．3 高约束模式与输运垒

1．4．4 反常粒子箍缩效应

1．5 ITER概述

1．5．1 ITER简介

1．5．2 ITER baseline工作概述

1．6 本文的主要工作内容和结构

第二章 输运方程及其求解方法

2．1 引言

2．2 输运方程及约化模拟方法

2．2．1 输运方程

2．2．2 输运方程的非线性性质

2．3 输运方程的求解方法

2．3．1 求解输运方程的数值格式

2．3．2 预估-校正方法

2．3．3 能量约束定标律与输运系数

2．4 模拟中各参数的选取

2．5 初步结果

2．6 本章小结

第三章 粒子箍缩效应对聚变反应堆性能的影响

3．1 引言

3．2 粒子箍缩效应概述

3．2．1 实验发现

3．2．2 粒子箍缩效应的理论解释

3．3 粒子箍缩效应对于托卡马克聚变堆的作用的模拟

3．3．1 粒子箍缩流速

3．3．2 模拟结果

3．4 本章小结

第四章 加料深度对聚变反应堆性能的影响

4．1 引言

4．2 托卡马克聚变堆加料方式概述

4．2．1 吹气

4．2．2 弹丸注入

4．2．3 其他加料方式

4．3 已有的实验和模拟结果

4．4 输运模型的扩展与修改

4．4．1 刮削层中的输运模型

4．4．2 输运模型的修改

4．5 模拟结果

4．5．1 参考算例

4．5．2 加料深度对于聚变性能的影响

4．5．3 加料深度对于粒子约束性能的影响

4．5．4 固定平均密度下不同加料深度造成的影响

4．5．5 讨论与总结

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 论文工作总结

5．2 展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果