EAST中性束注入加热与电流驱动模拟研究

摘要

社会的发展很大程度上依赖于能源。托卡马克核聚变作为解决未来能源危机的一个重要手段成为当今和平利用核能的一大焦点。EAST托卡马克作为世界上第一个全超导非圆截面托卡马克，其中性束系统正在建造和测试中，对束注入加热与电流驱动的模拟就显得尤为重要。一方面可以预言束注入后的加热与电流驱动效果，另外可以有效分析其作用机制从而优化注入效率。
　　 本文首先概要介绍了欧姆加热、射频波加热的基本机制和特点，并指出其优缺点。介绍了EAST中性束的设计参数和工作原理，就目前从样机的测试结果来看，EAST中性束的高参数和品质，在国内是最优良的。同时也介绍了中性束加热和电流驱动的基本原理和相关特征参数。对于中性束加热来说，存在一个临界能量εc，高于该束能量以加热电子为主，而低于束能量以加热离子为主。EAST中性束设计为加热离子为主。介绍了由束离子、电子以及背景离子碰撞基本决定的束驱动电流及其修正。
　　 本论文综合运用托卡马克输运程序ONETWO及蒙特卡罗束模拟程序NUBEAM对EAST中性束注入后的加热和电流驱动进行模拟研究。在ONETWO程序中引入了基于回旋朗道流体的GLF23模型和基于ITG模和TEM的Weiland反常输运模型。反常输运模型的引入，使得模拟结果更加接近真实的实验结果。基于蒙特卡罗法的NUBEAM中性束模拟程序，考虑了束的几何参数、品质参数、功率沉积、电流驱动、动量传输、加料、随时间演化的快离子沉积和慢化以及损失修正等。ONETWO和NUBEAM的成功集成使得对中性束与托卡马克等离子体相互作用的研究有了新的方法和途径，创新性地把反常输运模型应用到ONETWO程序用于EAST中性束注入模拟，这还属首次。
　　 针对未来EAST中性束物理实验的需要，在EAST不同背景等离子体密度、温度、纵场强度，不同功率、能量中性束注入，不同的放电约束模式，不同的反常输运模型等单变量变化的条件下，模拟出其同向或（和）反向注入的束功率沉积、功率损失、加热效果、xe等热输运系数以及密度演化等，通过对束注入等离子体后物理过程和结果的预言和加热效果与相关因素之间的关系的分析，可以加深束对背景等离子体加热效果的理解。
　　 针对中性束电流驱动实验中较为关心的不同背景等离子体密度和温度、不同束能量和功率、不同Zeff、不同注入方式单独加以模拟研究，从而得到EAST中性束驱动电流与以上参量的定性和定量关系。而这些变量在束驱动电流解析式中的贡献并不能直观地看出，对它们加以研究可以直接指导束驱动电流的物理实验。
　　 通过对EAST中性束加热和电流驱动的模拟研究，可以发现影响因素对其的定性和定量影响，从而预言和优化注入效果，减少功率和能量损失。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 核聚变反应

1．2 受控聚变反应对加热的基本要求

1．2．1 欧姆加热

1．2．2 射频加热

1．2．3 中性束加热

1．3 EAST中性束系统

1．4 本论文的研究内容

第2章 ONETWO和NUBEAM模拟程序

2．1 ONETWO模拟程序

2．1．1 输运方程

2．1．2 输运模型

2．2 NUBEAM模拟程序

2．2．1 NUBEAM程序简介

2．2．2 NUBEAM程序物理机制

2．3 本章小结

第3章 EAST中性束注入加热模拟

3．1 中性束注入加热的基本原理

3．2 EAST中性束注入加热模拟

3．2．1 EAST不同密度剖面下的中性束注入加热模拟

3．2．2 不同能量中性束注入加热模拟

3．2．3 不同功率中性束注入加热模拟

3．2．4 不同背景等离子体温度下中性束注入加热模拟

3．2．5 不同的纵场强度下中性束注入加热模拟

3．2．6 不同反常输运模型下的中性束注入加热模拟

3．2．7 中性束同向、反向同时注入加热模拟

3．2．8 H-模放电模式下中性束注入加热模拟

3．2．9 中性束功率穿透损失模拟

3．3 本章小结

第4章 EAST中性束电流驱动模拟

4．1 中性束电流驱动基本理论

4．2 EAST中性束电流驱动模拟

4．2．1 不同背景等离子体密度下的中性束电流驱动模拟

4．2．2 不同能量中性束电流驱动模拟

4．2．3 不同功率中性束电流驱动模拟

4．2．4 不同背景等离子体温度的中性束电流驱动模拟

4．2．5 不同Zeff下的中性束电流驱动模拟

4．2．6 平衡注入时的中性束电流驱动模拟

4．3 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 本文小结

5．2 后期展望

参考文献

附录 输运方程的磁面平均化

致谢

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