![点击分享此内容可以赚币 分享](/master/images/share_but.png)
EXL-50U球形环中快离子磁场波纹损失的优化模拟研究.pdf
《EXL-50U球形环中快离子磁场波纹损失的优化模拟研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《EXL-50U球形环中快离子磁场波纹损失的优化模拟研究.pdf(14页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、专题:磁约束等离子体中的高能量粒子EXL-50U 球形环中快离子磁场波纹损失的优化模拟研究*郝保龙1)李颖颖2)3)陈伟1)郝广周1)顾翔2)3)孙恬恬2)3)王嵎民2)3)董家齐2)3)袁保山2)3)彭元凯2)3)石跃江2)3)谢华生2)3)刘敏胜2)3)ENNTEAM1)(核工业西南物理研究院,成都610041)2)(河北省紧凑型聚变重点实验室,廊坊065001)3)(新奥科技发展有限公司,廊坊065001)(2023年 5月 8 日收到;2023年 8月 3 日收到修改稿)EXL-50U 装置高参数等离子体的实现对中性束注入(NBI)加热的依赖非常敏感,期望 NBI 快离子约束良好并通过
2、碰撞慢化把能量传给背景等离子体.本文基于集成模拟给出的平衡位形、快离子分布和装置波纹度数据对快离子波纹损失开展了模拟研究.发现快离子波纹损份额约为 37%,局域热斑约0.6MW/m2,对装置实验运行来说不可接受.其优化方案包括移动等离子体位置和加 FI(铁素体钢插件)降低波纹度,增大Ip(等离子体电流)以及优化NBI角度.结果显示必须控制波纹度分布且增大Ip到600kA以上,才能使快离子损失降低到3%4%,局域热斑降低一个量级.本文总结了装置设计时快离子波纹损失评估的方法,包括相空间快离子分布和波纹损失区重合度,全要素慢化时间尺度粒子跟踪.还总结了降低波纹损失的工程和物理途径,为集成模拟迭代优
3、化和装置运行提供模拟支持.关键词:磁约束核聚变,球形环,快离子,磁场波纹PACS:52.20.Dq,52.55.Pi,52.65.CcDOI:10.7498/aps.72.202307491引言中国磁约束核聚变经过半个多世纪的实验和物理研究取得了巨大成就,以及不断刷新参数记录的进展.除专业科研院所外,高校和企业在理论模拟和装置建设运行上也出现了多点开花的有利局面,为我国聚变能开发利用实现从无到有、从有到优打下坚实基础.传统托卡马克的大环径比为 34或稍高,EAST 约 4.2.小环径比(2 或更低)装置更紧凑,没有中心螺线管,有望实现更高的等离子体比压,即更高的约束效率,位于廊坊新奥科技有限公
4、司的 EXL-50U 即属此类磁约束核聚变装置,表 1 是其主机参数.EXL-50U 设计有7MW辅助加热和电流驱动系统,包括 50keV/1.5MW的 NBI 和 2MW 的离子回旋波,经过前期集成模拟设计,背景离子温度可达 Ti(0)40eV,如图 1所示.EXL-50U 的参数实现主要依靠 NBI 芯部加热,因此,NBI 快离子的良好约束是实现装置目标的前提.与传统托卡马克一样,分立的有限数目纵场线圈(TF)引入磁场波纹扰动可引起快离子显著损失.理论上,任何破坏环对称约束平衡位形的电*国家磁约束核聚变能发展研究专项(批准号:2019YFE03020000)、河北省高端人才计划(批准号:2
5、021HBQZYCSB006)和国家自然科学基金(批准号:11905142)资助的课题.通信作者.E-mail:2023中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp:/物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.21(2023)215215215215-1磁扰动都会引起快离子约束变差,损失是否可接受的判据是加热功率的损失不影响装置目标实现,且损失粒子局域沉积的热斑不影响装置安全1,2.磁场波纹扰动引起的快离子损失主要有两种机制:波纹磁阱俘获和随机波纹扩散.波纹磁阱是装置局域的波纹扰动较大时,如外中平面附近,形成二级磁阱,平行速度较小的捕获粒子经过该区域时就环向俘获
6、在该局域磁阱内,通过径向漂移快速损失掉或经碰撞和漂移逃出该损失区,该损失机制和位形、波纹度分布和快离子分布有关,损失的时间尺度在几个极向回弹周期内.当波纹度较小不足以形成局域磁阱时,有限的波纹扰动也会使捕获粒子极向投影不闭合,香蕉轨道转折点在平衡位置附近小位移振荡,当香蕉轨道转折点在 TF 周期扰动下形成的相空间共振岛相互重叠超过随机判据时,即发生连续周期运动之间解耦,形成随机波纹扩散,碰撞效应可降低该随机扩散阈值.通行粒子因沿磁力线回旋变换会平均该扰动,因此仅有捕获粒子有波纹损失.快离子波纹损失是装置设计和实验运行需要开展的必要课题,因为纵场波纹扰动是始终存在的3,4.本文基于 EXL-50
7、U 集成模拟设计参数,利用中性束沉积计算模块 NUBEAM 得到 NBI 快离子分布函数和碰撞率,在哈密顿导心轨道跟踪程序Orbit 中构建平衡叠加波纹扰动后的总磁场位形,一个慢化时间内跟踪蒙卡样本粒子,统计损失信息.NUBEAM 是 20 世纪 70 年代开发维护至今的经典成熟 NBI 模块,可单机或集成在随时演化输运程序中运行,可计算 NBI 和聚变产物的功率沉积、电流驱动、动量输运和加料等.在轴对称位形中跟踪蒙卡粒子,可计算多种成分的初始和经典稳态慢化分布,也可考虑反常输运效应,如 Sawtooth,Fishbone 和 Rippleloss,但相应的模块粗糙,需要设定人为经验系数,如
8、Rippleloss 中可以直接指定捕获粒子的损失时间和随机扩散阈值,定量分析受限.近年在 NUBEAM 中实现的 RF-kick,MHD-kick 和 CGM 等简化模型在实验分析中得到不断发展和完善58.B=B0B=(B0)p,H=2/B2/2+B+/=v/BB=v2/2BvE(/,p,)(B/,B/,B/p)程序 Orbit 是 20 世纪 80 年代开发升级至今的经典成熟快粒子跟踪程序,基于直线磁面坐标系读入轴对称数值平衡或解析构建圆截面平衡,在二维(2D)样条插值构建的背景场中叠加磁场波纹扰动得到总磁场位形,读入仿星器三维平衡版本为Orbit-3D.在总磁场位形基础上,Orbit 可
9、选择读入 或 形式的磁流体力学不稳定性(MHD)扰动,其中 是扰动函数的标量形式,是矢量形式的扰动位移,粒子的空间坐标为(),分别是极向磁通、极向角和广义环向角.Orbit 中粒子导心哈密顿量表达为,是归一化的平行磁场速度,是总磁场强度,是粒子磁矩,是粒子垂直磁场速度,是静电势.粒子的速度由能量 、磁矩 和螺距角正负号决定,Orbit 程序求解 .跟踪粒子哈密顿导心轨道时考虑碰撞修正,导心方程中表达磁场扰动的是总磁场强度的空间导数 ,而无需矢量分量,Orbit 中根据磁场散度为零的条件和不同函数形式构建扰动场911.本文第 2 节根据 EXL-50U 装置的波纹场工程数据,在 Orbit 程序
10、中数值重建,判定波纹损失区,表1EXL-50U 与其他托卡马克装置主机参数对比Table1.MainparameterscomparisonofEXL-50Uandothertokomakfacilities.参数CFETR ITER HL-2M EAST EXL-50UBT0磁轴场强 /T6.55.3320.60.8R0等离子体大半径 /m7.26.21.781.90.9等离子体小半径a/m2.22.00.620.50.45Ip等离子体电流 /MA1415310.51纵场磁体柄数N161820161200.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0020004
11、0006000/eV123e/(1013 cm-3)4/ei/eVe/eV图1EXL-50U 集成模拟设计中背景电子密度 ne、温度 Te和离子温度分布 TiFig.1.Distribution of bulk electron density ne,electrontemperatureTeandbulkiontemperatureTiinEXL-50Uintegratedmodeling.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.21(2023)215215215215-2分析相空间中 NBI 快离子初始分布函数和波纹损失区的重合度.第 3 节全要素计算,即在总磁场中跟踪大量样
12、本粒子分布一个慢化时间,统计粒子信息,针对波纹损失计算结果,提出并论证多个优化方向,对 EXL-50U 设计建设提供数值支持.第 4节总结本文工作并讨论一般托卡马克装置波纹损失评估流程.2EXL-50U 装置波纹场数值重建和NBI 快离子分布函数2.1 纵场波纹扰动重建(r,)=(Bmax Bmin)/(Bmax+Bmin)BmaxBminEXL-50U 环向磁场由 12 柄瘦 D 形线圈实现,对比其他托卡马克装置,柄数较少,有较大磁场波纹扰动.定义在极向截面的波纹度为 ,和 分别是同一极向位置不同环向角处的磁场最大值和最小值.工程设计中没考虑包层铁素体钢材料,仅有纵场线圈时的波纹度分布见图
13、2(b),波纹度在等离子体外中平面 Rmax1.4m 附近最大,约 3%,波纹扰动幅度从芯部到边界呈自然指数增大.托卡马克纵场磁体设计的一般要求是 TF 线圈在 1624 柄,等离子体约束区波纹度最大值即外中平面处小于0.5%,EXL-50U 由于特殊的主机和等离子体尺寸设计不满足此要求.B(p,)=B0(p,)1+cos(N)B0(p,)(R,Z)=0exp(R Rrip)2+bripZ20.5/wrip0=4.19 108Rrip=1.77103+0.106Z2mbrip=0.297wrip=0.103 m在 Orbit 程序中引入波纹扰动时,在磁面坐标系中叠加纵场波纹后的总磁场可表达为
14、,其中 是平衡场.本文采用解析公式 来拟合工程设计值,该解析函数的初始形式是针对 TFTR 类似圆截面 TF 线圈产生的一系列波纹度同心标准圆等高线提出的,后在ITER 等装置的 D 形线圈波纹度几何分布发展为包含椭圆形变和等高线圆心位移的现在形式,在一系列装置上应用成熟,包括 EAST 和 CFETR1214.基于 EXL-50U 装置波纹度工程数据,数学含义和拟合系数分别为波纹度最小值 ,波纹度不同值的等高线几何圆心位置 ,椭圆率 和波纹扰动特征空间尺度 .波纹扰动的解析函数实现和工程设计值对比见图 24.由图 2 可知解析函数重建的波纹度几何轮廓和幅值较大精度还原了工程设计;由图 3 和
15、图 4 的不同纵横截面对比可知解析函数重建的波纹场与工程数据有一定差距,图 3 中不同 Z 截面的波纹度基本不变,这是EXL-50U 特殊的 TF 线圈引起的,即瘦长 D 形而非传统托卡马克的胖 D 形或圆形.本文解析函数重建波纹场的整体符合程度稍差于传统托卡马克3,15,但仍精确重建了等离子体约束区的波纹场,即4080120160150100500-50-100-150/cm/cm(a)0.100.050.020.0080.0040.0020.00050.00025T10-51T10-52T10-63T10-74080120160150100500-50-100-150/cm/cm(b)0.
16、100.050.020.0080.0040.0020.00050.00025T10-51T10-52T10-63T10-78T10-83T10-89T10-90图2EXL-50U 纵场波纹度分布(a)解析函数实现值;(b)工程设计值Fig.2.DistributionoftoroidalfieldrippleperturbationamplitudeinEXL-50U:(a)Rippledatabyanalyticalequation;(b)engineer-ingdataindesign.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.21(2023)215215215215-3105
17、104LCFS(最后一个闭合磁面)内的拟合精确度足够高,鉴于该函数形式有清晰的几何含义,如表 2 所列,优于高阶多项式拟合,本文工作沿用.0.20.40.60.81.01.21.41.61.8/m00.050.100.150.200.25(a)(absolute value)Ripple dataAanalytical approximation0.20.40.60.81.01.21.41.61.8/m00.050.100.150.200.25(c)(absolute value)Ripple dataAanalytical approximation0.20.40.60.81.01.21.4
18、1.61.8/m00.050.100.150.200.25(b)(absolute value)Ripple dataAanalytical approximation0.20.40.60.81.01.21.41.61.8/m00.050.100.150.200.25(d)(absolute value)Ripple dataAanalytical approximation图3EXL-50U 装置波纹度不同 Z 截面工程数据和数值拟合结果对比(a)Z=0m;(b)Z=0.3m;(c)Z=0.6m;(d)Z=0.9mFig.3.Ripplecomparisonbetweenengineerin
19、gdesignandfittingcurveindifferentZplaneofEXL-50U:(a)Z=0m;(b)Z=0.3m;(c)Z=0.6m;(d)Z=0.9m.-1.5-1.0-0.500.51.01.5/m00.20.40.60.81.0(a)(10-4 absolute value)Ripple dataAnalytical approximation-1.5-1.0-0.500.51.01.5/m00.20.40.60.81.0(c)(10-3 absolute value)Ripple dataAnalytical approximation(10-4 absolute
20、value)-1.5-1.0-0.500.51.01.5/m(b)Ripple dataAnalytical approximation0123451.5-1.5-1.0-0.500.51.01.5/m3.5(10-3 absolute value)(d)Ripple dataAnalytical approximation2.02.53.0图4EXL-50U 装置波纹度不同 R 截面工程数据和数值拟合结果对比(a)R=0.5m;(b)R=0.7m;(c)R=0.9m;(d)R=1.1mFig.4.Ripplecomparisonbetweenengineeringdesignandfitti
21、ngcurveindifferentRplaneofEXL-50U:(a)R=0.5m;(b)R=0.7m;(c)R=0.9m;(d)R=1.1m.表2EXL-50U 与其他托卡马克装置纵场波纹数据拟合结果对比Table2.RipplefieldfittingparameterscomparisonofEXL-50Uandothertokomakfacilities.ItemCFETRITEREASTEXL-50U01.571053.751061.261044.19108R0=a+bZ2(m)6+0.062Z26.750.034Z21.710.18Z21.77103+0.106Z2brip0.
22、0210.260.260.297wrip/m0.630.530.150.1034物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.21(2023)215215215215-42.2 NBI 快离子分布函数利用 NUBEAM 程序计算得到的快离子初始分布函数一般用于长时间尺度的粒子跟踪损失,包含相空间梯度信息的稳态慢化分布用于分析波粒非线性相互作用.本文基于 EXL-50U 集成模拟中的平衡和背景参数剖面计算得到的 NBI 初始分布函数如图 5 和图 6 所示,可以看出,NBI 有良好的芯部沉积和微弱的穿透损失.不同于传统超导托卡马克,EXL-50U 的 NBI 束线路径不经过高场侧靶板,为
23、标准的切向注入,快离子 pitch(螺距)角较大,由于整体安全因子剖面较高,平衡位形中快离子分布有捕获粒子份额约 30%.NBI 设计运行束能量在 2050keV,进窗口功率在 0.251.5MW,NBI 系统建成后的束能和束流强度对应关系类似伏安特性曲线.本文评估快离子损失的初始能量设定为 45keV/1.0MW,平衡位形的纵场方向都是俯视逆时针,等离子体电流俯视顺时针.2.3 波纹损失区|sin|qNs=(/N q)1.5/LqLq=dq/dr在装置设计初期,工程和物理设计迭代速度快,无法通过耗时的慢化时间尺度内全要素粒子跟踪进行快离子损失计算.为直观高效讨论 EXL-50U 上快离子波纹
24、损失,本节采用相空间损失区域和粒子分布重合度来评估.图 7 是在平衡位形叠加磁场波纹后的总磁场位形中刻画得到的波纹损失区,其中波纹磁阱俘获区由磁阱形成条件 确定,无碰撞波纹随机扩散区的确定依据是简化判据 GWB(Goldston-White-Boozer),其中 是当地的纵横比倒数,是拉莫尔回旋半径,是安全因子导数,快离子分布相空间对应的波纹幅度大于 GWB 判据即认为捕获粒子转折点在此被随机扩散损失掉,(b)20406080100120140160-150-100-50050100150cmBeam birth ionLCFSWall/cm-100-50050100-100-50050100
25、(a)/cm/cmmax of plasmaminBeam birth ionMagnetic axis 104 cm图5EXL-50U 上 NBI 快离子初始分布的粒子空间位置俯视图(a)和极向投影(b)Fig.5.InitialdistributionofbeamionsinEXL-50U:(a)Birdsview;(b)poloidalcrosssection.00.20.40.60.81.0p00.51.01.52.02.5 Fraction/%(b)/v Fraction/%-1.0-0.500.51.0024681012(d)/keV Fraction/%0204060010203
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- EXL 50 球形 环中 离子 磁场 波纹 损失 优化 模拟 研究
![提示](https://www.zixin.com.cn/images/bang_tan.gif)
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。