长脉冲高功率托卡马克上低能中性粒子产生机制研究
批准号:
12105316
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
穆磊
依托单位:
学科分类:
等离子体与物质相互作用
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
穆磊
中文摘要
低能中性粒子对第一壁材料的腐蚀直接影响未来国际热核聚变装置ITER第一壁寿命及氚滞留速率,是ITER非常关心的热点问题之一。针对长脉冲、高功率运行条件下低能中性粒子产生机制不清楚,本申请利用低能中性粒子分析仪,在与ITER结构和功能基本相似的EAST托卡马克上,测量低能中性粒子通量大小、能量分布及其随时间演化过程,深入研究中性束注入、离子回旋波等不同加热方式,充气、弹丸注入、超声分子注入等不同加料方式,不同偏滤器运行模式,低约束模和高约束模转换、边界局域模爆发等对低能中性粒子产生的影响规律,结合边界等离子体输运程序OEDGE对EAST实验结果的模拟,阐明长脉冲、高功率运行条件下低能中性粒子产生物理机制。在此基础上模拟ITER装置低能中性粒子产生及其在第一壁不同极向位置的分布,为ITER和未来聚变堆的运行提供科学依据和数据积累。
英文摘要
The erosion of first wall material by low energy neutral particles which is directly related to first wall material lifetime and tritium retention rate of future international fusion reactor ITER, is one of the hot issues that ITER is very concerned about. In view of that the generation mechanism of low energy neutral particles in long pulse and high power operation mode is unclear, this application uses low energy neutral particle analyzer to measure the flux, energy distribution and their evolution over time of low energy neutral particles on EAST tokamak which has similar structure and function with ITER, studying the generation law of low-energy neutral particle based on different heating modes such as neutral beam injection, ion cyclotron resonance heating and etc., different feeding modes such as air inflation, pellet injection, supersonic molecular beam injection and etc., different divertor operation modes, L-H transition and ELMs burst, illustrating the generation physical mechanism of low energy neutral particle in long pulse and high power operation mode combining EAST experimental results simulation by the boundary plasma transport program OEDGE. On the basis of this, the generation and distribution of low energy neutral particles at different poloidal positions on the first wall in ITER will be simulated and this research can provide scientific basis and experience accumulation for the operation of ITER and future fusion reactors.
低能中性粒子对第一壁材料的腐蚀直接影响未来国际热核聚变装置ITER第一壁寿命及氚滞留速率,是ITER非常关心的热点问题之一,但长脉冲、高功率运行条件下低能中性粒子产生机制仍不清楚。本项目首先升级低能中性粒子分析仪,通过更换更先进探测器及加装磁屏蔽罩的方式,提高了信噪比。在与ITER结构和功能基本相似的EAST托卡马克上,测量低能中性粒子通量大小、能量分布及其随时间演化过程,深入研究了中性束注入、离子回旋波等不同加热方式,充气、超声分子注入等不同加料方式,低约束模和高约束模、边界局域模爆发等对低能中性粒子产生的影响规律。结合边界等离子体输运程序SOLPS对EAST实验结果的模拟,获得了低能中性粒子在第一壁上的沉积分布,模拟获得的低能中性粒子能谱与实验结果符合得较好,阐明了长脉冲、高功率运行条件下低能中性粒子产生物理机制。低密度条件下,中性粒子通量与等离子体密度有强线性关系,超声分子束注入加料由于加料位置较深,其对中性粒子高能部分有较大的影响,而普通充气由于加料深度小、边界等离子体温度低,对低能中性粒子影响较大。中性粒子通量与辅助加热总功率线性相关,当辅助功率增加,离子温度升高,提高了电荷交换反应产生中性粒子速率。等离子体由L模进入H模后,20-1000 eV的中性粒子通量降低,同时能谱斜率增大,这可能与H模下陡峭的密度剖面使测量到的中性粒子更多的来自温度较低的刮削层区域有关。而H模下高的等离子体温度与密度导致了1000-3000 eV的中性粒子通量增加、能谱斜率降低。相关结果可以为ITER和未来聚变堆的运行提供科学依据和数据积累。
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