中国聚变工程试验堆上的环形阿尔芬本征模线性稳定性及中子壁负载研究

中国聚变工程试验堆上的环形阿尔芬本征模线性稳定性及中子
壁负载研究
随着传统能源的日益枯竭,对新能源的开发与利用是人类进步的必然选择。

聚变能由于具有原材料储量丰富和安全无污染等诸多优点,被认为是解决人类能源危机的最佳方案。

在磁约束聚变装置当中,托卡马克被认为是最有希望实现可控核聚变的实验装置。

中国聚变工程试验反应堆(Chinese Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)是正处于设计当中。

CFETR的目标是为了获得长脉冲、氚自持的稳态运行,并且填补ITER和DEMO 装置之间的空白,目前其初步的概念设计已经完成。

在聚变反应堆中,氘氚聚变反应会产生3.5 MeV的高能α粒子。

此外,中性束注入(NBI)和离子回旋波共振加热(ICRH)会产生高能离子以及低杂波(LHW)和电子回旋共振加热(ECRH)会产生高能电子。

这些高能粒子具有内在自由能,并且高能粒子的速度和阿尔芬相速度接近,从而可以通过波粒共振来激发阿尔芬本征模不稳定性,反过来,这种不稳定的阿尔芬本征模能够造成高能粒子的重新分布或者损失,甚至有可能损坏约束壁。

因此,对高能粒子与阿尔芬本征模相互作用的研究是托卡马克物理中一个重要的研究课题。

其中典型的如环形阿尔芬本征模(TAE),它是由环向模数相同、极向模数相邻的波模耦合而成的。

氘氚聚变还会产生中子。

中子壁负载(NWL)表示聚变反应产生的中子打到第一壁的能量通量密度,它是决定包层材料和结构的一个重要参数。

并且中子壁负载对聚变电站的经济、性能、设计、安全以及环境方面都有影
响。

本论文主要是在CFETR上研究被高能粒子驱动的TAE稳定性以及动理学参数对中子壁负载的影响。

本论文一共分为6章,其中第1章为引言部分,第2章介绍了托卡马克等离子体中高能粒子与剪切阿尔芬波的相关物理研究背景,第3章,第4章和第5章是本论文研究的主要内容,第6章是工作总结以及展望。

本论文的具体研究内容如下:在第3章中,在CFETR上使用NOVA/NOVA-K程序研究了环向模数n在1到12之间的TAE模的稳定性。

我们是使用CORSICA程序来构造等离子体的平衡,安全因子选择为ITER方案中的三种典型剖面分布。

对于这三种不同的安全因子分布,使用NOVA程序来计算它们的连续频谱和本征模结构,然后使用NOVA-K程序来计算对于不同环向模数
下的驱动和各种阻尼。

数值计算结果表明除了有一个不稳定的TAE模以外,在TAE频率间隙(gaps)中找到的所有TAEs都是稳定的。

该不稳定的TAE是对应于安全因子正常剪切(normal shear)情况下的本征模,并且对应的环向模数是n = 4。

这三种典型平衡剖面分布的主要差别是安全因子。

如果安全因子剖面分布选择恰当,那么对应的所有TAEs都是稳定的。

因此在CFETR上可以通过修改安全因子的剖面分布来减少TAE模的不稳定性。

此外,通过扫描等离子体密度和温度分布来研究它们对TAE稳定性的影响。

尽管等离子体剖面分布不是自洽的,但是扫描结果表明在很广的范围内CFETR上的TAE稳定性都是有效的。

在第4章中,介绍了 M3D/M3D-K程序中的计算方法以及所使用的理论模型。

M3D/M3D-K程序包含的理论模型主要有理想磁流体、电阻磁流体、双流体模
型,以及动理学与磁流体混合模型。

根据CFETR新尺寸下的参数,使用M3D/M3D-K 程序对环形阿尔芬本征模进行了线性计算。

在第5章中,我们计算了 CFETR上的中子壁负载分布,并且呈现了等离子体密度和温度剖面分布对中子壁负载分布的影响。

计算结果表明:对于CFETR 200 MW的聚变功率,NWL的最大值是在外中平面附近,并且对应的NWL大约是0.4 MW/m2。

等离子体密度和温度剖面分布对NWL的影响很小。

因此,对于不同的运行方案,动理学参数对NWL的影响可以忽略。

NWL的大小主要是由总聚变功率决定的。

当对CFETR的包层结构进行设计时,如果总聚变功率保持不变,那么可以不考虑托卡马克的运行方案对包层的影响。