中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所博士論文答辯

1、中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所博士論文答辯,博士論文題目HT-7U托卡馬克偏濾器數(shù)值模擬研究 研究生姓名： 陳一平 指導(dǎo)導(dǎo)師： 虞清泉 研究員 朱思錚 研究員,報(bào)告內(nèi)容,HT-7U邊界等離子體和偏濾器數(shù)值模擬研究意義邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器的數(shù)值模擬研究HT-7U輻射偏濾

2、器的數(shù)值模擬研究流體模型與動(dòng)力學(xué)模型混合模擬 B2.5-EIRENE連接與耦合HT-7U偏濾器B2.5-EIRENE數(shù)值模擬研究論文結(jié)論和討論發(fā)表的論文致謝,,HT-7U邊界等離子體和偏濾器數(shù)值模擬研究意義,HT-7U托卡馬克是一個(gè)高級(jí)穩(wěn)態(tài)等離子體實(shí)驗(yàn)裝置。研究并發(fā)展穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下托卡馬克加熱、排熱、加料、排灰以及邊界控制技術(shù)。為未來(lái)穩(wěn)態(tài)和高效聚變堆的設(shè)計(jì)提供物理與工程技術(shù)數(shù)據(jù)。HT-7U采用偏濾器位形，以研究偏濾器等離

3、子體粒子和能量平衡及其控制， HT-7U偏濾器是第一個(gè)由我國(guó)自行設(shè)計(jì)和建造的偏濾器，對(duì)于開(kāi)展穩(wěn)態(tài)條件下的偏濾器物理和工程技術(shù)的研究具有重要意義。初步運(yùn)行采用雙零偏濾器，以增加偏濾器靶板的排熱面積，減小偏濾器工程設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)和難度，同時(shí)增加等離子體的穩(wěn)定性。與世界上一些偏濾器托卡馬克，如DIII-D, ALCATOR C-MOD, JET, ASDEX-U, JFT-2M, JT-60 和 JT-60U比較，HT-7U將有更長(zhǎng)的脈沖運(yùn)行

4、時(shí)間(60-1000S), 這將導(dǎo)致HT-7U偏濾器設(shè)計(jì)更為困難。,,HT-7U邊界等離子體和偏濾器數(shù)值模擬研究意義,,HT-7U偏濾器熱負(fù)載與其它裝置的比較,HT-7U托卡馬克偏濾器數(shù)值模擬研究意義,目前的核聚變研究缺乏邊界等離子體和偏濾器等離子體系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)缺乏芯等離子體參數(shù)和邊界等離子體參數(shù)之間嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)定標(biāo)關(guān)系數(shù)值模擬研究是偏濾器設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行偏濾器物理評(píng)估和物理設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟數(shù)值模擬研究使邊界等離子體物理模型得以驗(yàn)

5、證并促進(jìn)邊界等離子體先進(jìn)物理模型的發(fā)展,,HT-7U托卡馬克偏濾器數(shù)值模擬研究意義國(guó)際上邊界等離子體和偏濾器數(shù)值模擬程序的發(fā)展,流體模擬程序： B2, B2.5, EDGE2D, UEDGE, EPIC, DDIC-90, UEDA, NEWEDGE, PLANET, LEEDGE動(dòng)力學(xué) Monter-Carlo 型模擬程序: EIRENE,

6、DEGAS, DEGAS-2, NIMBUS流體與動(dòng)力學(xué)Monter-Carlo 耦合程序：B2-EIRENE, B2.5-EIRENE, EDGE2D-NIMBUS,,,,HT-7U托卡馬克偏濾器數(shù)值模擬研究意義國(guó)際上邊界等離子體和偏濾器數(shù)值模擬程序的發(fā)展,,國(guó)際上一些實(shí)驗(yàn)裝置所使用的模擬程序和傳輸系數(shù),邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序所利用的物理模型,,,二維等離子體數(shù)值模擬程序模擬多流體等離子體

7、多流體等離子體中包括中性氣體考慮原子分子過(guò)程，包括電離、復(fù)合、電荷交換等微觀物理過(guò)程考慮不同粒子種類之間的相互摩擦流體方程中包括了電流和電勢(shì)方程并利用了歐姆定律模擬程序包包括266子程序，共20000余條語(yǔ)句,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序所利用的物理模型,,邊界等離子體流體方程,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程 (Braginskii方程),,,,,邊界等離子體流體模擬程

8、序B2.5的移植 B2.5程序流體方程 (Braginskii方程),,,,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程 (Braginskii方程),,,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程 (Braginskii方程),,邊界等離子體流體方程,,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程 (Braginskii方程),,邊界等離子體流體方程在準(zhǔn)柱坐標(biāo)系中的表達(dá),

9、,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程 (Braginskii方程),,,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程 (Braginskii方程),,,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程 (Braginskii方程),,邊界等離子體流體方程在準(zhǔn)柱坐標(biāo)系中的表達(dá),,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程 (Braginskii方程),

10、,流體方程在準(zhǔn)柱坐標(biāo)系中的表達(dá),,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程 (Braginskii方程),,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程,,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程,,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程,流體方程猜一套解計(jì)算誤差離散化效正方程求解線性代數(shù)方程矩陣 由強(qiáng)隱方法求逆,,邊界等離

11、子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序?qū)α黧w方程的求解,,,邊界等離子體流體模擬程序B2.5的移植 B2.5程序流體方程求解邊界條件,B2.5邊界等離子體數(shù)值模擬程序是世界三大邊界等離子體流體模擬程序(B2.5, EDGE2D, UEDGE)之一。將B2.5 UNIX 工作站版本移植為微機(jī)版本，利用FORTRAN POWER STATION 軟件系統(tǒng)。充分利用國(guó)內(nèi)較為流行的微機(jī)資源在邊界等離子體數(shù)值模擬研究中的作用。將B

12、2.5應(yīng)用于HT-7U托卡馬克偏濾器的數(shù)值模擬研究。移植動(dòng)力學(xué)Monte-Carlo模擬程序EIRENE,將B2.5耦合到邊界等離子體動(dòng)力學(xué)Monte-Carlo模擬程序EIRENE (世界三大邊界等離子體動(dòng)力學(xué)Monte-Carlo模擬程序, EIRENE, DEGAS, NIMBUS, 之一），形成微機(jī)版本的耦合程序B2.5 -EIRENE。將B2.5 -EIRENE應(yīng)用于HT-7U偏濾器的數(shù)值模擬。,,邊界等離子體流體模擬程序

13、B2.5的移植,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究模擬參數(shù)和幾何,,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究模擬參數(shù)和幾何,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究偏濾器靶板附近數(shù)值模擬網(wǎng)格的產(chǎn)生,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究模擬計(jì)算網(wǎng)格在笛卡爾坐標(biāo)中的表示,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究模擬計(jì)算邊界條件,1.芯-SOL界面：所有種類粒子的平行流速度設(shè)為零，正如徑

14、向電流。兩個(gè)溫度，電子溫度和離子溫度設(shè)置為共同值，兩個(gè)密度，中性氫H0密度和氫離子H+密度分別設(shè)置為固定值。兩個(gè)溫度和兩個(gè)密度被設(shè)置作為控制參數(shù)。2.外壁和隱閉流區(qū)的內(nèi)邊界：熱損失包括流損失和附加損失，這個(gè)附加損失由邊界上的梯度引起，與這個(gè)邊界條件相對(duì)應(yīng)的邊界梯度長(zhǎng)度的量級(jí)約為0.01米。邊界上有很低的溫度。朝著邊界的帶電粒子損失流可預(yù)設(shè)，這個(gè)損失流正比于密度與熱速度的乘積。零電流，平行速度的零剪切。粒子再循環(huán)系數(shù)和能量再循環(huán)系數(shù)分別

15、等于1.0 和0.3。,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究模擬計(jì)算邊界條件,3.赤道面假設(shè)為對(duì)稱性邊界條件。當(dāng)考慮漂移流時(shí)，模擬結(jié)果將做適當(dāng)修正。4.偏濾器靶板：所有帶電粒子以共同的速度外流，中性粒子的局部產(chǎn)生速率等于局部帶電粒子外流的速率。電流由Bohm鞘條件決定但同時(shí)考慮二次電子發(fā)射。這些流平行于磁場(chǎng)方向，但是為了得到到達(dá)靶板上的流，這些流必須考慮磁場(chǎng)的局部?jī)A斜。粒子再循環(huán)系數(shù)和能量再循環(huán)系數(shù)分別等于1.0 和0.

16、3。,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結(jié)果 熱流分布,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結(jié)果 偏濾器靶板上總熱流分布,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結(jié)果 外壁上的總熱流分布,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結(jié)果偏濾器靶板上的熱流峰值,,高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結(jié)果,,高再循

17、環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結(jié)果SOL模擬計(jì)算區(qū)電子溫度等值線分布,,高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結(jié)果SOL模擬計(jì)算區(qū)離子溫度等值線分布,,高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結(jié)果SOL模擬計(jì)算區(qū)電子密度等值線分布（10201/m3),,高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結(jié)果SOL模擬計(jì)算區(qū)氫原子密度等值線分布（10201/m3),,高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結(jié)果SOL模擬計(jì)算區(qū)氫離子平行速度等值線分布（m/s),,高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結(jié)果SOL模擬計(jì)算區(qū)氫原子平行速度

18、等值線分布（m/s),,高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結(jié)果SOL模擬計(jì)算區(qū)沿平行方向電子和離子熱流密度分布,,高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結(jié)果SOL模擬計(jì)算區(qū)沿平行方向電勢(shì)和電流分布,,高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結(jié)果高界面密度與低界面密度靶板上總熱流比較,,高再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬結(jié)果高界面密度與低界面密度靶板上等離子體參數(shù)和熱流峰值比較,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器靶板上總熱流比較,,HT-7U高再循

19、環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器靶板上等離子體參數(shù)和熱流峰值比較,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究低再循環(huán)偏濾器SOL模擬計(jì)算區(qū)電子溫度等值線分布,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究低再循環(huán)偏濾器SOL模擬計(jì)算區(qū)電子密度度等值線分布（10201/m3),,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究進(jìn)入不同部分SOL熱流分布,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究

20、加熱功率所產(chǎn)生的邊界溫度,進(jìn)入計(jì)算區(qū)的總熱流為Qoutx=Pin×60%×80%×55%=0.264 Pin 利用赤道面上的對(duì)稱性邊界條件，邊界密度Nedge=2?1019 1/m3, 邊界溫度Tedge=300eV 時(shí)，Qoutx=1.684MW 邊界溫度Tedge=350eV 時(shí)，Qoutx=2.002MW 考慮到離子的飄移流等所引起的赤道面上、下不對(duì)稱性 Ted

21、ge=300eV 和 Tedge=350eV時(shí)，Qoutx的模擬值應(yīng)分別修正Qoutx=1.684?1.2=2.021MW 和 Qoutx=2.002?1.2 =2.402MW 分別對(duì)應(yīng)于HT-7U裝置加熱功率 Pin=7.655MW和Pin=9.10MW。 HT-7U 裝置8MW 的加熱功率對(duì)于邊界密度Nedge=2?1019 1/m3， 產(chǎn)生的邊界溫度范圍為300eV< Tedge<350eV。,,

22、HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究等離子體參數(shù)和等離子體熱流沿著偏濾器靶板的徑向分布,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究HT-7U裝置加熱功率沉積分布,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究SOL寬度對(duì)邊界等離子體參數(shù)和熱流的影響,SOL 物理寬度, 通常是SOL中等離子體參數(shù)和徑向輸運(yùn)系數(shù)的函數(shù)，例如，λn≈ (2D⊥LC/cs)1/2，這里 LC 是連接長(zhǎng)度，D⊥是徑向粒子反常擴(kuò)散系數(shù)，cs

23、是離子聲速，cs=(2kTi/mi)1/2。模擬結(jié)果顯示，SOL 物理寬度不僅受等離子體參數(shù)和徑向輸運(yùn)系數(shù)的影響同時(shí)也受SOL幾何厚度DSOL的影響。DSOL是赤道面上從LCFS到外壁的距離。,,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究跨越 SOL 赤道面上等離子體參數(shù)的徑向分布,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究SOL物理寬度隨幾何寬度的變化,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究SOL幾何寬度對(duì)

24、靶板上等離子體參數(shù)和熱流分布的影響,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究SOL幾何寬度對(duì)靶板上等離子體參數(shù)和熱流峰值的影響,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究總粒子流和熱流在SOL中的分布,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究基本結(jié)論,,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究基本結(jié)論,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究基本結(jié)論,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值

25、模擬研究基本結(jié)論,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究基本結(jié)論,,HT-7U高再循環(huán)與低再循環(huán)偏濾器數(shù)值模擬研究基本結(jié)論,HT-7U輻射偏濾器的數(shù)值模擬研究減小偏濾器靶板熱流或熱流峰值的基本方法,,HT-7U輻射偏濾器的數(shù)值模擬研究高再循環(huán)偏濾器,,HT-7U輻射偏濾器的數(shù)值模擬研究動(dòng)態(tài)氣體靶偏濾器,,HT-7U輻射偏濾器的數(shù)值模擬研究,,HT-7U輻射偏濾器的數(shù)值模擬研究,,HT-7U輻射偏濾器的數(shù)值模擬研究,,

26、HT-7U輻射偏濾器的數(shù)值模擬研究達(dá)靶板的等離子體離子流隨著芯-SOL界面上Ne+10濃度的變化,,流體模型與動(dòng)力學(xué)模型混合模擬 B2.5-EIRENE連接與耦合流體模型適用條件,,,,流體模型與動(dòng)力學(xué)模型混合模擬 B2.5-EIRENE連接與耦合流體模型適用條件,,,流體模型與動(dòng)力學(xué)模型混合模擬 B2.5-EIRENE連接與耦合流體模型適用條件,動(dòng)力學(xué) Monte-Carlo 模擬程序,,流體模擬程序和動(dòng)力學(xué)模擬程序的耦合,,

27、流體模擬程序和動(dòng)力學(xué)模擬程序的耦合,,,流體模擬程序和動(dòng)力學(xué)模擬程序的耦合,,流體模擬程序和動(dòng)力學(xué)模擬程序的耦合,,,流體模擬程序和動(dòng)力學(xué)模擬程序的耦合,,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結(jié)果,,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結(jié)果,,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結(jié)果,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結(jié)果,,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結(jié)果,HT-7U偏濾器 B2.5-

28、EIRENE模擬結(jié)果,,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結(jié)果,,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結(jié)果,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結(jié)果,,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結(jié)果,,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結(jié)果,,HT-7U偏濾器 B2.5-EIRENE模擬結(jié)果,基本結(jié)論和討論,,,基本結(jié)論和討論,,基本結(jié)論和討論,基本結(jié)論和討論,論文總結(jié)和討論——論文特色,,論文總結(jié)