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1、中国科学院等离子体物理研究所博士论文答辩,博士论文题目 HT-7U托卡马克偏滤器数值模拟研究 研究生姓名： 陈一平 指导导师： 虞清泉 研究员 朱思铮 研究员,报告内容,HT-7U边界等离子体和偏滤器数值模拟研究意义 边界等离子体流体模拟程序B2.5的移植 HT-7U高再循环与低再循环偏滤器的数值模拟研究 HT-7U辐射偏滤器的数值模拟研究 流体模型与动力学模型混合模拟 B2.5-EIRENE连接与耦合 HT-7U偏滤器B2.5-EIRENE数值模拟研究 论文结论和讨论 发表的论文 致谢,HT-7U边界等离子体和偏滤器数值模拟研究意义,HT-7U托卡马克是一个高级稳态等离子体实验装置。 研究并

2、发展稳态运行条件下托卡马克加热、排热、加料、排灰以及边界控制技术。 为未来稳态和高效聚变堆的设计提供物理与工程技术数据。 HT-7U采用偏滤器位形，以研究偏滤器等离子体粒子和能量平衡及其控制， HT-7U偏滤器是第一个由我国自行设计和建造的偏滤器，对于开展稳态条件下的偏滤器物理和工程技术的研究具有重要意义。 初步运行采用双零偏滤器，以增加偏滤器靶板的排热面积，减小偏滤器工程设计的风险和难度，同时增加等离子体的稳定性。 与世界上一些偏滤器托卡马克，如DIII-D, ALCATOR C-MOD, JET, ASDEX-U, JFT-2M, JT-60 和 JT-60U比较，HT-7U将有更长的脉冲

3、运行时间(60-1000S), 这将导致HT-7U偏滤器设计更为困难。,HT-7U边界等离子体和偏滤器数值模拟研究意义,HT-7U偏滤器热负载与其它装置的比较,HT-7U托卡马克偏滤器数值模拟研究意义,目前的核聚变研究缺乏边界等离子体和偏滤器等离子体系统性实验研究数据 缺乏芯等离子体参数和边界等离子体参数之间严格的实验定标关系 数值模拟研究是偏滤器设计过程中进行偏滤器物理评估和物理设计的关键步骤 数值模拟研究使边界等离子体物理模型得以验证并促进边界等离子体先进物理模型的发展,HT-7U托卡马克偏滤器数值模拟研究意义国际上边界等离子体和偏滤器数值模拟程序的发展,流体模拟程序： B2, B2.5,

4、 EDGE2D, UEDGE, EPIC, DDIC-90, UEDA, NEWEDGE, PLANET, LEEDGE 动力学 Monter-Carlo 型模拟程序: EIRENE, DEGAS, DEGAS-2, NIMBUS 流体与动力学Monter-Carlo 耦合程序： B2-EIRENE, B2.5-EIRENE, EDGE2D-NIMBUS,HT-7U托卡马克偏滤器数值模拟研究意义国际上边界等离子体和偏滤器数值模拟程序的发展,国际上一些实验装置所使用的模拟程序和传输系数,边界等离子体流体模拟程序B2.5的移植 B2.5程序所利用的物理模型,二维等离子体数值模拟程序 模拟多流体等离

5、子体 多流体等离子体中包括中性气体 考虑原子分子过程，包括电离、复合、电荷交换等微观物理过程 考虑不同粒子种类之间的相互摩擦 流体方程中包括了电流和电势方程并利用了欧姆定律 模拟程序包包括266子程序，共20000余条语句,边界等离子体流体模拟程序B2.5的移植 B2.5程序所利用的物理模型,边界等离子体流体方程,边界等离子体流体模拟程序B2.5的移植 B2.5程序流体方程 (Braginskii方程),边界等离子体流体模拟程序B2.5的移植 B2.5程序流体方程 (Braginskii方程),边界等离子体流体模拟程序B2.5的移植 B2.5程序流体方程 (Braginskii方程),边界等离

6、子体流体模拟程序B2.5的移植 B2.5程序流体方程 (Braginskii方程),边界等离子体流体方程,边界等离子体流体模拟程序B2.5的移植 B2.5程序流体方程 (Braginskii方程),边界等离子体流体方程在准柱坐标系中的表达,边界等离子体流体模拟程序B2.5的移植 B2.5程序流体方程 (Braginskii方程),边界等离子体流体模拟程序B2.5的移植 B2.5程序流体方程 (Braginskii方程),边界等离子体流体模拟程序B2.5的移植 B2.5程序流体方程 (Braginskii方程),边界等离子体流体方程在准柱坐标系中的表达,边界等离子体流体模拟程序B2.5的移植 B

7、2.5程序流体方程 (Braginskii方程),流体方程在准柱坐标系中的表达,边界等离子体流体模拟程序B2.5的移植 B2.5程序流体方程 (Braginskii方程),边界等离子体流体模拟程序B2.5的移植 B2.5程序流体方程,边界等离子体流体模拟程序B2.5的移植 B2.5程序流体方程,边界等离子体流体模拟程序B2.5的移植 B2.5程序流体方程,流体方程 猜一套解 计算误差 离散化效正方程 求解线性代数方程 矩阵 由强隐方法求逆,边界等离子体流体模拟程序B2.5的移植 B2.5程序对流体方程的求解,边界等离子体流体模拟程序B2.5的移植 B2.5程序流体方程求解边界条件,B2.5边界

8、等离子体数值模拟程序是世界三大边界等离子体流体模拟程序(B2.5, EDGE2D, UEDGE)之一。 将B2.5 UNIX 工作站版本移植为微机版本，利用FORTRAN POWER STATION 软件系统。充分利用国内较为流行的微机资源在边界等离子体数值模拟研究中的作用。 将B2.5应用于HT-7U托卡马克偏滤器的数值模拟研究。 移植动力学Monte-Carlo模拟程序EIRENE,将B2.5耦合到边界等离子体动力学Monte-Carlo模拟程序EIRENE (世界三大边界等离子体动力学Monte-Carlo模拟程序, EIRENE, DEGAS, NIMBUS, 之一），形成微机版本的耦

9、合程序B2.5 -EIRENE。 将B2.5 -EIRENE应用于HT-7U偏滤器的数值模拟。,边界等离子体流体模拟程序B2.5的移植,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究模拟参数和几何,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究模拟参数和几何,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究偏滤器靶板附近数值模拟网格的产生,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究模拟计算网格在笛卡尔坐标中的表示,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究模拟计算边界条件,1.芯-SOL界面：所有种类粒子的平行流速度设为零，正如径向电流。两个温度，电子温度和离子温度设置为共同值，两个密度

10、，中性氢H0密度和氢离子H+密度分别设置为固定值。两个温度和两个密度被设置作为控制参数。 2.外壁和隐闭流区的内边界：热损失包括流损失和附加损失，这个附加损失由边界上的梯度引起，与这个边界条件相对应的边界梯度长度的量级约为0.01米。边界上有很低的温度。朝着边界的带电粒子损失流可预设，这个损失流正比于密度与热速度的乘积。零电流，平行速度的零剪切。粒子再循环系数和能量再循环系数分别等于1.0 和0.3。,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究模拟计算边界条件,3.赤道面假设为对称性边界条件。当考虑漂移流时，模拟结果将做适当修正。 4.偏滤器靶板：所有带电粒子以共同的速度外流，中性粒子的局

11、部产生速率等于局部带电粒子外流的速率。电流由Bohm鞘条件决定但同时考虑二次电子发射。这些流平行于磁场方向，但是为了得到到达靶板上的流，这些流必须考虑磁场的局部倾斜。粒子再循环系数和能量再循环系数分别等于1.0 和0.3。,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究高再循环偏滤器数值模拟结果 热流分布,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究高再循环偏滤器数值模拟结果 偏滤器靶板上总热流分布,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究高再循环偏滤器数值模拟结果 外壁上的总热流分布,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究高再循环偏滤器数值模拟结果偏滤器靶板上的热流峰值,高再

12、循环偏滤器数值模拟结果,高再循环偏滤器数值模拟结果SOL模拟计算区电子温度等值线分布,高再循环偏滤器数值模拟结果SOL模拟计算区离子温度等值线分布,高再循环偏滤器数值模拟结果SOL模拟计算区电子密度等值线分布（10201/m3),高再循环偏滤器数值模拟结果SOL模拟计算区氢原子密度等值线分布（10201/m3),高再循环偏滤器数值模拟结果SOL模拟计算区氢离子平行速度等值线分布（m/s),高再循环偏滤器数值模拟结果SOL模拟计算区氢原子平行速度等值线分布（m/s),高再循环偏滤器数值模拟结果SOL模拟计算区沿平行方向电子和离子热流密度分布,高再循环偏滤器数值模拟结果SOL模拟计算区沿平行方向电

13、势和电流分布,高再循环偏滤器数值模拟结果高界面密度与低界面密度靶板上总热流比较,高再循环偏滤器数值模拟结果高界面密度与低界面密度靶板上等离子体参数和热流峰值比较,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究高再循环与低再循环偏滤器靶板上总热流比较,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究高再循环与低再循环偏滤器靶板上等离子体参数和热流峰值比较,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究低再循环偏滤器SOL模拟计算区电子温度等值线分布,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究低再循环偏滤器SOL模拟计算区电子密度度等值线分布（10201/m3),HT-7U高再循环与低再循环偏滤

14、器数值模拟研究进入不同部分SOL热流分布,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究加热功率所产生的边界温度,进入计算区的总热流为Qoutx=Pin60%80%55%=0.264 Pin 利用赤道面上的对称性边界条件，边界密度Nedge=21019 1/m3, 边界温度Tedge=300eV 时，Qoutx=1.684MW 边界温度Tedge=350eV 时，Qoutx=2.002MW 考虑到离子的飘移流等所引起的赤道面上、下不对称性 Tedge=300eV 和 Tedge=350eV时，Qoutx的模拟值应分别修正Qoutx=1.6841.2=2.021MW 和 Qoutx=2.0021

15、.2 =2.402MW 分别对应于HT-7U装置加热功率 Pin=7.655MW和Pin=9.10MW。 HT-7U 装置8MW 的加热功率对于边界密度Nedge=21019 1/m3， 产生的边界温度范围为300eV Tedge350eV。,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究等离子体参数和等离子体热流沿着偏滤器靶板的径向分布,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究HT-7U装置加热功率沉积分布,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究SOL宽度对边界等离子体参数和热流的影响,SOL 物理宽度, 通常是SOL中等离子体参数和径向输运系数的函数，例如，n (2DLC/c

16、s)1/2，这里 LC 是连接长度，D是径向粒子反常扩散系数，cs是离子声速，cs=(2kTi/mi)1/2。模拟结果显示，SOL 物理宽度不仅受等离子体参数和径向输运系数的影响同时也受SOL几何厚度DSOL的影响。DSOL是赤道面上从LCFS到外壁的距离。,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究跨越 SOL 赤道面上等离子体参数的径向分布,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究SOL物理宽度随几何宽度的变化,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究SOL几何宽度对靶板上等离子体参数和热流分布的影响,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究SOL几何宽度对靶板上等离

17、子体参数和热流峰值的影响,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究总粒子流和热流在SOL中的分布,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究基本结论,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究基本结论,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究基本结论,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究基本结论,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究基本结论,HT-7U高再循环与低再循环偏滤器数值模拟研究基本结论,HT-7U辐射偏滤器的数值模拟研究减小偏滤器靶板热流或热流峰值的基本方法,HT-7U辐射偏滤器的数值模拟研究高再循环偏滤器,HT-7U辐射偏滤器的数值模拟研究动

18、态气体靶偏滤器,HT-7U辐射偏滤器的数值模拟研究,HT-7U辐射偏滤器的数值模拟研究,HT-7U辐射偏滤器的数值模拟研究,HT-7U辐射偏滤器的数值模拟研究达靶板的等离子体离子流随着芯-SOL界面上Ne+10浓度的变化,流体模型与动力学模型混合模拟 B2.5-EIRENE连接与耦合流体模型适用条件,流体模型与动力学模型混合模拟 B2.5-EIRENE连接与耦合流体模型适用条件,流体模型与动力学模型混合模拟 B2.5-EIRENE连接与耦合流体模型适用条件,动力学 Monte-Carlo 模拟程序,流体模拟程序和动力学模拟程序的耦合,流体模拟程序和动力学模拟程序的耦合,流体模拟程序和动力学模拟程序的耦合,流体模拟程序和动力学模拟程序的耦合,流体模拟程序和动力学模拟程序的耦合,HT-7U偏滤器 B2.5-EIRENE模拟结果,HT-7U偏滤器 B2.5-EIRENE模拟结果,HT-7U偏滤器 B2.5-EIRENE模拟结果,HT-7U偏滤器 B2.5-EIRENE模拟结果,HT-7U偏滤器 B2.5-EIRENE模拟结果,HT-7U偏滤器 B2.5-EIRENE模拟结果,HT-7U偏滤器 B2.5-EIRENE模拟结果,HT-7U偏滤器 B2.5-E