低频(2,1)模磁扰动下CFETR高能α粒子的损失研究

针对中国聚变工程试验堆(Chinese fusion engineering test reactor,CFETR)的正常磁剪切平衡位形,采用测试粒子模拟方法,研究了存在磁流体动力学(Magnetohydrodynamics,MHD)低频(2,1)模磁扰动条件下CFETR聚变产物高能α粒子的损失规律。模拟结果表明:在无磁扰动时,α粒子的损失率很低,但在有磁扰动时,α粒子与(2,1)模发生了强烈的相互作用,α粒子的损失率随着(2,1)模磁扰动幅值的增大而显著增大,损失的α粒子的初始位置主要集中在(2,1)模中心位置附近,初始位置分布在靠近磁轴芯部区域的α粒子没有损失,所有损失的α粒子几乎都是从等离子体赤道面以下飞出。     

CFETR物理与工程研究进展

磁约束聚变是利用磁场将氘和氚燃料以等离子体的形式约束并发生聚变反应,被认为有希望彻底解决人类的能源问题.中国聚变工程试验堆(CFETR)是中国磁约束聚变发展路线图规划的下一个托卡马克聚变装置,其运行将分为两个阶段:第一阶段实现200 MW聚变功率、氚自持的稳态运行;第二阶段实现1000 MW聚变功率并示范聚变电能输出. CFETR将着力解决ITER与DEMO之间存在的物理与工程技术难题,包括实现氘氚聚变稳态运行、公斤级氚的增殖与循环自持、能长时间承受高热负荷与强中子辐照的材料技术等,为我国2050年前后独立自主建设聚变电站奠定坚实的基础.     

氚增殖包层对CFETR纵场波纹度的影响研究

氚增殖包层作为中国聚变工程实验堆的核心部件之一,其主要功能是实现氚增殖,为聚变反应提供氚燃料.由于聚变反应产生的中子会使材料活化,因此,CFETR氚增殖包层采用低活化钢作为结构材料.低活化钢材料的铁磁特性会使等离子体区域产生磁场绕动影响装置等离子体运行的稳定性.针对CFETR装置开展纵场波纹度的研究,建立了磁场分析的有限元模型,计算了F28H、CLF-1等低活化钢的波纹度分布,得到了不同结构材料的磁场强度和波纹度大小,结果显示,磁饱和值较低的结构材料有利于降低磁场波纹度.本研究可以为后续包层材料的选择与优化提供一定的参考.     

EAST全超导托卡马克高约束稳态运行实验研究进展

开发安全、清洁的核聚变能,最终解决人类能源危机是聚变科学与技术研究的终极目标. 21世纪初启动建设的国际热核聚变实验堆(ITER)项目,促使聚变能开发朝商业应用迈进了一大步.具有ITER类似结构的托卡马克(Tokamak)磁约束聚变装置开展的等离子体放电实验,成为了现阶段聚变能开发研究的焦点.中国科学院等离子体物理研究所自主设计、建造的全超导托卡马克EAST,面向未来聚变反应堆关键的工程与物理问题开展了大量的探索研究.其中,在关于聚变反应堆能否经济实用地投入商用发电的高约束稳态运行实验研究方面,取得了一系列重大突破.继2012年实现400 s低约束模长脉冲运行、验证系统长脉冲运行能力之后, 2017年EAST又刷新了高约束模等离子体放电运行时间的世界纪录,成为首个具备100 s量级高约束模准稳态运行能力的托卡马克装置,并且首次触及到了磁约束聚变等离子体中最长的时间尺度——粒子平衡时间.为面向反应堆燃烧等离子体第一壁高热负荷承载,高约束边界局域模抑制以及长时间稳态运行控制的工程与物理问题的开拓研究,提供了国际磁约束聚变界最好的实验平台.现已在EAST上开展了钨铜水冷偏滤器、锂化第一壁、射频波电流驱动、弹丸注入、精确磁面位形控制、边界局域模和高热负荷缓解等一系列相关实验,并取得了重要的研究进展.     

聚变堆氦冷固态增殖包层中子学分析

聚变堆固态包层框架下,针对初步设计的聚变堆氦冷固态包层进行了中子学分析。选择增殖区的氚增殖剂和中子倍增剂分层分布方案,建立了20°对称D型轮胎环全堆计算模型,对聚变中子源分布离散化处理。借助M on te-C arlo粒子输运程序M CNP对聚变堆包层的氚增殖性能和核热功率进行了计算。结果表明,堆总体氚增殖率达到1.247,核热密度峰值在赤道包层模块,能够实现聚变堆运行的氚自持条件。     

聚变反应堆条件下等离子体中阿尔芬本征模的分析

通过对托卡马克装置的研究,为中国聚变工程试验堆和国际热核聚变反应堆提供了理论和工程技术。本文基于当前主要的托卡马克,运用磁流体力学数值模拟程序和动理学混合模拟程序,探究了不同类型托卡马克装置上的离散型阿尔芬本征模,以及在高能量粒子条件下离散阿尔芬本征模的不稳定性特征,为中国聚变工程试验堆和国际热核聚变反应堆提供理论参考。模拟发现在三类托卡马克装置上,较宽的运行范围内,都存在离散阿尔芬本征模,且这种本征模易受高能量粒子激发成不稳定模式。离散阿尔芬本征模的不稳定性潜在影响未来聚变反应堆的稳态运行。     

面向数千处理器的三维等离子体粒子模拟程序研制

等离子体粒子模拟是研究激光聚变中激光与等离子体相互作用的有效手段.有些应用需要模拟包含上百亿粒子的模型,其中粒子分布不均匀且动态运动.为满足需求,研制了可扩展到数千处理器的三维等离子体粒子模拟程序,其关键技术包括基于网格片的负载平衡策略、粒子数据结构和数据通信的封装、大规模数据的可视化等.在某并行机的2500个处理器上,该程序成功模拟了短脉冲激光与锥壁等离子的相互作用,其中粒子数达到12 G,模拟5000时间步花费15 h,共输出50GB的三维数据.这些数据可直接在并行可视化软件上显示,有助于物理学家深入理解模拟结果.     

面向数千处理器的三维等离子体粒子模拟程序研制

等离子体粒子模拟是研究激光聚变中激光与等离子体相互作用的有效手段．有些应用需要模拟包含上百亿粒子的模型,其中粒子分布不均匀且动态运动．为满足需求,研制了可扩展到数千处理器的三维等离子体粒子模拟程序,其关键技术包括基于网格片的负载平衡策略、粒子数据结构和数据通信的封装、大规模数据的可视化等．在某并行机的2500个处理器上,该程序成功模拟了短脉冲激光与锥壁等离子的相互作用,其中粒子数达到12G,模拟5000时间步花费15h,共输出50GB的三维数据．这些数据可直接在并行可视化软件上显示,有助于物理学家深入理解模拟结果．     

EAST托卡马克实验中的L模和H模电子尺度湍流的特征

湍流是托卡马克等离子体反常输运的原因,可能对低约束模式(L-mode)和高约束模式(H-mode)的输运产生重要影响.通过集体汤姆逊散射诊断系统研究EAST(experimental advanced superconducting Tokamak)托卡马克实验中的L模和H模电子尺度湍流的特征.结果表明：第75286号炮放电中的H模的粒子输运得到很大改善而热输运改善不大;等离子体由L模进入H模后,梯度区湍流强度的下降比芯区湍流强度的下降更明显,不同空间区域的湍流强度变化存在差异;H模粒子输运和热输运的差异可能是TEM和ETG波数范围湍流的光谱差异导致的.     

ITER中的离散阿尔芬本征模

本文主要研究了ITER稳态运行时的离散阿尔芬本征模的稳定特性。这些磁流体力学本征模是α引起的气球模驱动势阱中的束缚态。其中,α=-q2Rdβ/dr,q是安全因子,β是等离子压强和磁场压强的比值,R和r分别是环形等离子体的大半径和小半径。这些阿尔芬本征模很容易被高能量粒子激发而演变成不稳定模式而影响环形等离子体的约束性能。     

电子回旋共振加热期间的电子热输运和约束

采用ONETWO软件对在HL-2A托卡马克上电子回旋共振加热的实验进行分析,研究了ECRH加热期间的电子热输运和约束行为.ECRH引起了等离子体的共振区域电子温度上升,电子热输运系数变大.同时共振区域能量的增加使能量约束变坏,约束模式由一般模式(O模)转变为低约束模式(L模),能量约束时间下降.这些结果将对HL-2A中进一步提高安全运行和电子热输运的研究提供参考.     

基于C语言模拟计算的粒子扰动机制分析

利用C语言程序能够模拟干扰作用完全随机的情况下目标粒子进入孔洞的过程,从而可以对干扰粒子对目标粒子分布的扰动影响进行分析与计算。分析结果表明,当干扰粒子对目标粒子的干扰作用完全随机时,对于任意取值的孔洞数,无论有无干扰粒子或其存在多少,目标粒子都将具有基本相同的N-Y(入洞总数-出现次数)曲线分布,但是干扰粒子会引起目标粒子入洞总数N的局域统计波动或涨落,且随着干扰粒子的增多,这种局域统计波动或涨落越大。     

JET装置中的离散阿尔芬本征模探讨

当前的磁约束聚变装置常常运行在先进托卡马克区域内,先进托卡马克区域内存在负磁剪切,s<0(s=rdq/dr)。在JET(Joint European Torus)装置中探讨了一种新型的离散阿尔芬本征模式——αTAE(α-induced to-roidal Alfvén eigenmode),研究其模式随s或α变化的特性,α=-q2Rdβ/dr。这里,q是安全因子,β是等离子体压力与磁压力之比,R和r分别代表托卡马克的大半径和小半径。     

聚变堆面向等离子体SiC/Cu梯度材料的制备与评价

用超高压梯度烧结法制备出了成分分布从0－100％的接近理论密度的SiC/Cu聚变堆面向等离子体功能梯度材料，化学溅射实验表明其CD4产额与二次纯化石墨相比降低了80％，热解吸收气率约为石墨的10％，在398MW/m2的激光热冲击下，材料表现出现疲劳裂纹和化学分解现象，原位等离子体辐照结果显示陶瓷材料表面出现一定程度的溅射损伤。     

等离子体粒子输运模拟计算

在考虑经典扩散、电子碰撞电离、激发和电荷交换条件下,数值模拟了托卡马克等离子体粒子的输运行为,计算了中性氢密度的空间分布,在日冕模型下得出了粒子体发射系数的空间分布,与测量结果相符．讨论了粒子入射速度对粒子约束时间的影响,结果表明反射粒子入射速度直接决定粒子约束时间的大小和空间分布。     

聚变反应中产生的α粒子的自举电流

本文对聚变产生的α粒子自举电流进行了研究,研究中采用了简便的Pade近似形式,同时考虑了回旋角散射效应和慢化过程中牵引作用的影响,给出了α粒子自举电流计算的理论表达式.采用ITER装置参数进行了数值计算,得到了α粒子自举电流的密度分布和大小,研究了影响自举电流大小的物理因素.结果表明α粒子自举电流随中心等离子体初始温度、密度和α粒子初始能量的增大而增大.结果表明α粒子自举电流较小,只占总自举电流的7%左右.     

中国环流器二号A装置物理实验研究进展

本文介绍了中国环流器二号A(HL-2A)装置概况、系统工程以及在磁约束聚变物理研究方面取得的若干重要进展,尤其是在HL-2A装置上成功实现了具有边缘局域模的高约束模式运行,是我国磁约束聚变实验研究史上具有里程碑意义的重大进展.近年来利用该装置可近性好,原创的加料与控制技术以及先进的高时空分辨诊断系统等独特优势,在HL-2A装置上开展了国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)及未来聚变堆等离子体相关的前沿物理问题与关键技术的研究,获得了一批国际磁约束核聚变领域创新科技成果,为ITER的运行与实验以及未来聚变堆的设计提供了重要技术基础与支撑.     

托卡马克中离散阿尔芬不稳定性的动理学分析

动理学是描述等离子体的重要方法。本文介绍了动理学的一种近似处理——回旋动理学,并在简单模型下演示了线性回旋动理学方程近似过程。结合ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)设计参数和模拟放电实验数据,利用线性回旋近似研究环形聚变等离子体中高能量粒子的动理学效应对离散阿尔芬本征模(αTAE)的影响。     

托卡马克装置EAST中快离子反常扩散对热输运的影响

研究了EAST装置中性束注入加热等离子体时的快离子扩散行为,并研究了其对等离子体有效热输运系数的影响。通过利用输运代码(TRANSP)程序以及蒙特卡洛代码(NUBEAM)模块对等离子体放电进行模拟,发现当安全因子的最小值qmin接近于2的时候,快离子的扩散是反常的;当qmin约等于1时,快离子扩散符合新经典理论。此外发现当快离子反常扩散时会导致中性束注入(NBI)的加热效率降低,并且等离子体储能以及总加热功率也会发生明显下降,且快离子扩散和电子温度会对等离子体有效热输运系数产生相反影响。该研究结果有助于理解EAST装置在有NBI情况时的快离子反常输运并为实验提供指导。     

HL-2A托卡马克等离子体中的离散阿尔芬本征模

在HL-2A装置上,运用磁流体力学数值模拟程序,探究了在低杂波辅助加热放电方案中,低杂波能量沉积区域内的离散阿尔芬本征模(αTAE,α是等离子体压强梯度的标度)的物理特征;探讨了不同等离子体剖面下,αTAE的分布情况.运用线性回旋动理学和磁流体力学混合模拟程序,研究了中性束注入不同能量的粒子对αTAE的影响;另外,还探究了能量沉积区域内的αTAE被高能量粒子激发成不稳定性的物理特征.通过模拟发现,在该装置上α的值相对较小,αTAE主要分布在负磁剪切区域.在低杂波能量沉积区域内伴有丰富的αTAE,且低杂波能量沉积量越大,αTAE频率越高.此外,在不同等离子体剖面下,大量αTAE被束缚于沿HL-2A托卡马克小半径方向上的不同区域.随着中性束注入粒子能量逐渐增大,αTAE的多支模也被激发成不稳定模式,这种不稳定模式潜在影响托卡马克对等离子体的约束性能.