计算物理 ›› 2023, Vol. 40 ›› Issue (3): 282-290.DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8548
刘源煜1,2(), 向东1, 龚学余1, 路兴强1,3,*(
)
收稿日期:
2022-04-24
出版日期:
2023-05-25
发布日期:
2023-07-22
通讯作者:
路兴强
作者简介:
刘源煜,男,硕士研究生,从事聚变等离子体物理实验研究,E-mail:1515407479@qq.com
基金资助:
Yuanyu LIU1,2(), Dong XIANG1, Xueyu GONG1, Xingqiang LU1,3,*(
)
Received:
2022-04-24
Online:
2023-05-25
Published:
2023-07-22
Contact:
Xingqiang LU
摘要:
利用程序ORBIT和TRANSP/NUBEAM模拟研究全超导托卡马克实验装置(EAST)等离子体位形和杂质的特征参数Zeff(有效电荷数)对束离子约束和加热的影响。结果表明: 在等离子体位形中, 随着最后一个封闭通量表面与中面外容器壁之间的距离(gapout)和环向磁场强度的增加, 快离子的损失(包含瞬时损失和波纹损失)也随之减少, 因此中性束的加热效率随着gapout的增加而提高。此外, 随着背景等离子体杂质的增加(即Zeff的增加), 增加了束损失, 导致最后束加热效率降低。选择合适的磁位形, 同时降低背景的杂质含量可以增强快离子约束, 提高束的加热效率。
刘源煜, 向东, 龚学余, 路兴强. EAST上磁位形和杂质对束离子约束和加热影响的数值模拟[J]. 计算物理, 2023, 40(3): 282-290.
Yuanyu LIU, Dong XIANG, Xueyu GONG, Xingqiang LU. Effect of Magnetic Configuration and Impurities with Neutral Beam Heating on EAST: Numerical Investigation[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2023, 40(3): 282-290.
束线端口 | 注入方向 | 切向半径Rtan/m |
NBI-AL | 同向 | 1.26 |
NBI-AR | 同向 | 0.73 |
NBI-DL | 同向 | 1.14 |
NBI-DR | 同向 | 0.61 |
NBI-FL | 反向 | 0.61 |
NBI-FR | 反向 | 1.14 |
表1 在EAST上具有不同注入方向和切向半径Rtan的中性束参数
Table 1 Neutral beams with different injection directions and tangential radius Rtan on EAST
束线端口 | 注入方向 | 切向半径Rtan/m |
NBI-AL | 同向 | 1.26 |
NBI-AR | 同向 | 0.73 |
NBI-DL | 同向 | 1.14 |
NBI-DR | 同向 | 0.61 |
NBI-FL | 反向 | 0.61 |
NBI-FR | 反向 | 1.14 |
图1 EAST 98839炮(红线)和98840炮(蓝线)的参数随时间的变化(a) 等离子体电流;(b) gapout
Fig.1 The parameters of EAST shots 98839 (the red line) and 98840 (the blue line) as functions of time (a) plasma current; (b) gapout
图2 模拟参数剖面(a) 电子温度(Te,黑色线)和离子温度(Ti,蓝色线);(b) 电子密度(Ne)
Fig.2 Parameter profiles in the simulation (a) electron temperature (Te, black line) and ion temperature (Ti, blue line); (b) electron density (Ne)
图3 EAST 98839炮(红线),98840炮(绿线)的加热特性(a)中性束注入背景离子的总加热功率(图例中有最终加热份额。);(b)束离子沉积剖面
Fig.3 Heating characteristics of shot 98839 (the red line) and shot 98840 (the green line) on EAST (a) all bull-ion heating power for NBI (final beam-ion heating fraction in the legend); (b) beam-ion deposition distribution
炮号 | gapout/cm | 第一轨道损失/% | 波纹损失/% | 穿透损失/% |
98839 | 6.0 | 2.3 | 4.1 | 6.3 |
98840 | 4.5 | 3.3 | 4.7 | 7.6 |
表2 不同gapout下束离子的各项损失份额
Table 2 Loss fractions of beam ions in different gapout
炮号 | gapout/cm | 第一轨道损失/% | 波纹损失/% | 穿透损失/% |
98839 | 6.0 | 2.3 | 4.1 | 6.3 |
98840 | 4.5 | 3.3 | 4.7 | 7.6 |
炮号 | 环向磁场BT/T | 离子体电流Ip/MA | 束注入功率Pint/MW | 束注入能量Enb/kev |
101700 | 1.755 | 0.4 | 0.98 | 56 |
101701 | 1.979 | 0.4 | 0.98 | 56 |
101705 | 2.204 | 0.4 | 0.98 | 56 |
101707 | 2.427 | 0.4 | 0.98 | 56 |
表3 不同磁场强度时等离子体参数和束参数
Table 3 Parameters of plasma and beam ion in different magnetic field
炮号 | 环向磁场BT/T | 离子体电流Ip/MA | 束注入功率Pint/MW | 束注入能量Enb/kev |
101700 | 1.755 | 0.4 | 0.98 | 56 |
101701 | 1.979 | 0.4 | 0.98 | 56 |
101705 | 2.204 | 0.4 | 0.98 | 56 |
101707 | 2.427 | 0.4 | 0.98 | 56 |
图4 不同磁场强度时背景等离子体的(a) 电子温度(Te)和离子温度(Ti),(b) 电子密度(Ne)剖面
Fig.4 Parameter profiles of background plasma in different magnetic field (a) electron temperature (Te) and ion temperature (Ti), (b) electron density (Ne)
图5 EAST实验炮101700炮(蓝线),101701炮(黑线),101705炮(红线)和101707炮(绿线)的(a)总加热效率中性束注入背景离子加热功率(图例中有最终加热份额)以及(b)束离子功率沉积剖面
Fig.5 Heating characteristics of shot 101700 (the blue line), shot 101701 (the black line), shot 101705 (the red line) and shot 101707 (the green line) on EAST (a) all bull-ion heating power for NBI (final beam-ion heating fraction in the legend), (b) beam-ion deposition distribution
炮号 | 第一轨道损失/% | 波纹损失/% | 穿透损失/% |
101700 | 3.8 | 5.2 | 6.2 |
101701 | 3.5 | 5.0 | 6.2 |
101705 | 3.3 | 4.2 | 6.1 |
101707 | 3 | 3.9 | 6.1 |
表4 在不同环向磁场下束离子的各项损失份额
Table 4 Loss fractions of beam ions in different toroidal magnetic field
炮号 | 第一轨道损失/% | 波纹损失/% | 穿透损失/% |
101700 | 3.8 | 5.2 | 6.2 |
101701 | 3.5 | 5.0 | 6.2 |
101705 | 3.3 | 4.2 | 6.1 |
101707 | 3 | 3.9 | 6.1 |
图6 总加热效率中性束注入背景离子加热功率(图例中有最终加热份额。) (a) 101700炮,(b) 101705炮
Fig.6 All bull-ion heating power for NBI (final beam-ion heating fraction in the legend) (a) shot 101700, (b) shot 101705
炮号 | 第一轨道损失/% | 波纹损失/% | 穿透损失/% |
101700 (Zeff=1.9) | 3.8 | 5.0 | 7.2 |
101700 (Zeff=3.0) | 4.1 | 5.3 | 7.1 |
101705 (Zeff=1.9) | 3.3 | 4.2 | 7.1 |
101705 (Zeff=3.0) | 3.7 | 4.5 | 7.1 |
表5 不同Zeff下束离子的各项损失份额
Table 5 Loss fractions of beam ions at different Zeff
炮号 | 第一轨道损失/% | 波纹损失/% | 穿透损失/% |
101700 (Zeff=1.9) | 3.8 | 5.0 | 7.2 |
101700 (Zeff=3.0) | 4.1 | 5.3 | 7.1 |
101705 (Zeff=1.9) | 3.3 | 4.2 | 7.1 |
101705 (Zeff=3.0) | 3.7 | 4.5 | 7.1 |
图7 不同Zeff下NBI快离子初始分布(黑色虚线是捕获-通行边界。) (a) 101700炮;(b) 101705炮
Fig.7 Initial distributions of NBI fast ions at different Zeff (Black dashed lines are capture-passage boundaries.) (a) shot 101700; (b) shot 101705
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[1] | 简广德, 王惠三. 负离子束引出、加速系统的数值计算方法[J]. 计算物理, 2000, 17(4): 443-448. |
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