EAST不同密度剖面下中性束注入模擬研究.docx

1、第32卷第3期核聚變與等離子體物理Vol.32,No.32012年9月NuclearFusionandPlasmaPhysicsSep.2012文章編號：0254-6086(2012)03-019306EAST不同密度剖面下中性束注入模擬研究王驥巳胡純棟槌，吳斌2,王進芳2(1.中國科學技術大學.合肥230026；2.中國科學院等離子體物理研究所.合肥230031)摘要：中性束注入是等離子體加熱和電流驅動的重要方式之一，對EAST中性束注入的精確模擬對未來物理實驗至關重要。采用ONETWO和NUBEAM程序模擬4MW、80keV中性束同向注入.不同的等離子體密度剖面導致不同的電子和離子加熱、穿

2、透功率損失、束驅動電流以及中子發(fā)射等。等離子體密度在以上的物理參數的演化中起著重要的作用。對EAST兩種密度方案下中性束注入的效果進行了分析和討論，并對未來中性束實驗提供了一些預言性的建議和方案。關鍵詞：中性束注入；ONETWO程序；NUBEAM程序；EAST中圖分類號：O532P1文獻標識瑪：A收稿日期：2011-10-20;修訂日期：2012-01-06基金項目：國家自然科學基金資助項目(10975160；11175211)作者簡介：王驥(1979-),男，安徽舒城人，博士研究生，主要從事中性束與等離子體相互作用及相關數值模擬研究。1引言把等離子體加熱到10keV以上是實現聚變點火必不可少

3、的基本條件之一。為了把等離子體提高到這樣的高溫.必須要采用一些輔助加熱方式。中性束注入加熱作為一種物理機制相對清楚的輔助加熱手段被廣泛用于各國核聚變裝置，并取得了良好的物理實驗效果比習。由于中性原子(通常是氫或氮的同位素)不受約束磁場的影響可以直接注入到等離子體中，進入等離子體后通過與背景等離子體電荷交換和碰撞電離后變成快離子被磁場捕獲，這些高能離子再和背景等離子體發(fā)生庫倫碰撞，把能量交給等離子體，從而達到加熱等離子體的目的。NUBEAM程序是一個采用蒙特卡羅方法的針對軸對稱托卡馬克快離子時間演化的束模擬程序。NUBEAM跟蹤快離子直到其慢化為熱離子溫度的3/2以下為止。在NUBEAM中已考慮

4、了多條束線,并且每條束線都有其各自的束線兒何、束成分以及全能量、1/2能量和1/3能量份額等特征參數。NUBEAM程序對中性束注入的計算涉及功率沉積、快離子二維軌道、束驅動電流以及束的各種損失等。ONETWO輸運程序是對托卡馬克中能量、粒子、環(huán)向旋轉、電流密度和平衡演化求解磁面平均輸運方程旬，其已經成功集成了NUBEAM程序。ONETWO為NUBEAM產生輸入文件，同時調用NUBEAM的快離子物理程序包。ONETWO和NUBEAM的成功集成，使得中性束注入的模擬有了新的工具和方法。2EAST不同密度剖面的模擬方案EAST中性束注入系統正在按進度建造中，從一些不同物理參數出發(fā)的模擬也已經有了初步

5、的結果(9,，0,oEAST中性束注入系統的布局如圖1所示。一期A窗口的中性束設計為兩個離子源同向注入，最大功率4MW,束能量范圍5080keV可調。兩個離子源引出夾角為8.7.切向注入角設計為19.5。二期F窗口的中性束設計基本同A窗口，不同之處是反向注入。圖1EAST中性束布局圖在中性束注入過程中，等離子體密度直接影響束的透入深度、功率沉積和損失等【兒。在原子過程中，背景等離子體密度在束原子與背景中性原子的電荷交換、與背景電子和離子的電離中將起到重要的作用。根據EAST以往物理實驗的密度以及未來高密度的目標，依據經驗公式密度剖面設定為：/=f(a)+/(0)-/(。)(1-打式中，/Xx)

6、為密度函數；*為歸一化的磁面坐標，即05;/(0)為磁軸處的密度；/(a)為邊界處的密度；方和c為指數系數，通過調整力和。的值可以得到不同的密度梯度。為了研究EAST放電時不同密度剖面下中性束的注入效果，本文通過設置密度剖面經驗公式中的參數選用兩種密度剖面方案，如圖2和圖3所示。圖2方案一密度剖面圖3方案二密度剖面p為歸一化的磁面坐標，p=,6為給定磁面的環(huán)向磁通，鳥為縱場。這兩種方案的邊界密度均為1.0xl0,3cm-3o在方案一中，其芯部密度分別為5.5xl0i3cm3、4.0xl0i3cm-3、2.5xl0%m-3,分別對應著EAST低密度、中密度和高密度。在此選用的低密度要比目前EAS

7、T實驗中的低密度高,是考慮到高能中性束注入密度過低等離子體將發(fā)生大部分能量穿透損失，加熱效果不明顯。而在方案二中，其平均密度均為：ne(p)dp/dp=3.5x10*3cm-3(2)這意味著在EAST中方案二的三種密度剖面對應的電子數目是相同的，只是其分布剖面不同。剖面心為一般的L-模密度剖面，ne_C為類H.模密度剖面，而_B為介于兩者之間的密度剖面。在本次模擬實驗中，假定兩種方案的初始磁面平衡位形是相同的，縱場凡=3.0等離子體電流/=1MA；大半徑R=170cm,小半徑Dem,如圖4所示。本次模擬研究中假定電子和離子具有相同的初始溫度剖面分布，其芯部電子和離子溫度7；(0)=7；(0)=

8、1.2keVo為了更加深入清楚地了解當前EAST密度的不同剖面對中性束注入效果的影響,本實驗只針對正在建造中的A窗口同向注入中性束采用固定4MW、80keV并由中平面1.5s連續(xù)注入模擬。在ONETWO輸運程序中，采用了MMM95輸運模型，模型源自多模輸運模型1995年版，其包含了多種不同輸運理論，如Weiland的離子溫度梯度模和捕獲電子模，Guzdar-Drake的反漂移氣球模和動態(tài)氣球模。其后，MMM95又計劃加入新經典輸運，并在1998年又添加了流剪切效應W】。圖4初始時刻的磁面平衡位形3不同模擬方案的結果與分析3.1穿透功率損失穿透功率損失指的是束粒子注入等離子體后沒有被完全電離而打

9、到真空室注入窗口對面壁上所導致的功率損失。兩種不同方案在4MW、80keV中性束1.5s注入后其功率穿透損失如圖5所示。在方案一中，密度越低，束穿透功率越大。在芯部密度為2.5xlO%mT時，其穿透功率已高達1.35MW。這是由于等離子體密度越高，其與束原子發(fā)生電荷交換截面()和碰撞電離截面(電子碰撞截面/和離子碰撞截面0)就越大，由免束原子成為D+離子而被磁場捕獲的概率就越大，從而導致穿透功率的減小。而在方案二中，由于三種剖面平均密度均為3.5xI0,3cm-3Bt,其穿透功率相差不是很大。但是其密度剖面分布對束穿透功率損失還是有影響的。在這種方案中，芯部密度梯度比較大的剖面，其穿透損失比較

10、高，而芯部密度梯度較小的剖面，其穿透功率損失就比較小。這是因為邊界密度高，在束與等離子體的碰撞過程中碰撞截面大，束的能量衰減的比較大，其穿透的概率就減小。在低密度情況下，束的穿透功率損失比較大，一部分未被電離的高能束原子直接打到真空室的壁上，造成壁局部高功率能量沉積，可能直接損壞壁。從安全的角度考慮出發(fā)，要盡量避免低密度高功率高能最中性束注入這種情況的發(fā)生，或在真空室壁上采取有效的防護措施，防止束穿透損壞壁。1.41.2芝1.00.80.6040.20.0圖5L1.5S兩種方案的穿透損失圖5L1.5S兩種方案的穿透損失3.2加熱效率EAST中性束建造的重要目標就是加熱等離子體。在束注入1.5s

11、后，這兩種方案的溫度如圖6所示。如圖6所示，高能中性束注入后，等離子體溫度有了明顯的提高。兩種方案中的溫度剖面的芯部溫度都在一定程度上出現了峰化，并且所有的剖面都是離子溫度高于電子溫度，這說明EAST中性束加熱的離子溫度要高于電子溫度。在方案一中，三種剖面中，密度越低，等離子體的溫度提高越多。雖然在低密度情況下，束的穿透損失比較大，但由于在低密度情況下EAST磁場中約束的電子和離子總數要比高密度情況下要少很多，這樣快離子能最通過碰撞交換給這些電子和離子的平均能量就要高于高密度情況下的電子和離子。方案二中的三種溫度剖面相對來說差別不是很大，但溫度剖面分布有所不同，這是由于束穿透損失、電荷交換損失

12、、軌道損失、功率沉積以及碰撞截面等眾多原因綜合作用導致的，其物理機制比較復雜。從效果來看，在平均密度一定的情況下，如果想得到比較理想的加熱效果，應該適當選取如心這樣密度剖面的背景等離子體剖面。文章中研究的是特定的不同密度對中性束注入加熱效率的影響，并沒考慮中性束加料的影響，如考慮中性束注入等離子體后對密度增加有貢獻，則圖6的電子和離子溫度將有所下降。3.3電流驅動沿環(huán)電流方向注入中性束，高能中性粒子被捕獲后，其離子運動基本沿束的初始方向，而被剝離的電子則已無規(guī)化。這樣，這些離子就會在等離子體中形成一個定向電流U4*。中性束驅動的電流可以維持托卡馬克平衡位形周。兩種方案中性束注入在電流驅動方面的

13、貢獻如圖7所示。在方案一中，容易看出密度越小電流驅動效率越高。而在方案二中，雖然剖面不同，但是由于平均密度相同，其電流驅動效率相差不是很大。根據Cordey束驅動電流的基本理論，中性束注入產生的驅動電流密度可以近似表示為：Jb=Jbo1(1一G)式中，Zb為中性束束原子質量數；Z為有效核電荷數;6=(1.55+0.85/7)時2_(0.2+1.55/Z/#,/為環(huán)徑比。R的表達式比較復雜，定性表達為：圖7兩種方案在井l.5s時的電流驅動剖面%由式(3)和式可得：tViL(5)由式(5)可見，在電子溫度C相差不大的情況下，背景等離子體密度越小，中性束注入驅動電流密度越高。在方案一中，由前面已知三

14、種加熱后的溫度剖面的相對變化量明顯小于其初始密度相對變化量，這導致了_c,初始剖面的束驅動電流密度最大，而的束驅動電流密度最小。方案二中，由于三種密度剖面的平均密度相同，其束驅動電流密度也近似，但由于密度剖面又有所不同這導致了束驅動電流密度的不同。在這兩種方案中，在p0.8的區(qū)域，電流驅動的幅值顯著趨小，這是香蕉軌道擴散導致的。對比這兩個方案，在不改變束功率和能量等參數的情況下，如想提高中性束驅動電流的效率，就得降低等離子體的平均密度，而只想通過改變等離子體密度剖面來達到增大電流驅動的效果是不明顯的。3.4束-靶中子發(fā)射中子是聚變產物同時也是聚變反應的參與者。兩種方案下中性束與背景等離子體相互

15、作用得到的r=1.5s束-靶中子發(fā)射密度如圖8所示。從圖8可見，在Qv0.8的范圍內無論是方案一還是方案二，等離子體密度越高則束靶中子密度越高，并且與等離子體密度的剖面近似趨向一致。在目前的EAST實驗中，中子主要是D核-D核反應的產物，等離子體電子密度越高，根據準中性條件,離子密度也就越高，其D核與束D核的碰撞截面越大，產生的中子就越多，這導致了中子產額剖面與背景等離子體密度剖面趨于一致。對其積分后的量級也只是10%一3,就其中于密度量級來說要比本底等離子體密度小5個量級，可見EAST中性束束-靶中子密度還是很小的，還沒有到反應堆中子的最級。圖8/=1.5s束-輪反應中子密度剖面圖8/=1.

16、5s束-輪反應中子密度剖面TECO一、更=宓小-9-職，厚4總結針對正在建造中的EAST裝置A窗口同向注入NBI系統，采用輸運程序ONETWO結合束模擬程序NUBEAM對不同密度情況下的注入情況進行了模擬。本文對中性束注入后1.5s對穿透功率損失、加熱效果、電流驅動以及中子發(fā)射等方面做了兩種密度方案結果的分析和對比。穿透功率隨著平均密度的增加而減小，而在平均密度一定的情況下，芯部密度高邊界密度低則穿透功率也越高。EAST中性束加熱主要是對離子的加熱，并且其芯部也趨于峰化。平均密度越高，則加熱效果相對要差些。在平均密度一定、剖面不同的情況下，加熱溫度相對來說差別不是很大，而得到的溫度剖面情況有所

17、不同，這主要是由于束穿透損失、電荷交換損失、軌道損失等眾多原因綜合作用導致的。電流驅動效率隨平均密度的增大而減小，而平均密度相同的情況下，電流驅動效率差別也不是很大。束-靶中子發(fā)射在兩種方案下的密度剖面基本與背景等離子體密度剖面趨于一致，密度越大，中子密度也越大。下一步的工作將針對二期建設F窗口的反向中性束注入以及同向和反向中性束同時注入進行模擬，以期得到中性束對EAST注入效果比較明確的結果。感謝中國科學院等離子體物理研究所理論室在使用ONETWO和NUBEAM方面給予的幫助，同時感謝NTCC和GA在開發(fā)程序和推廣方面付出的巨大努力。參考文獻：1 AkersRJ,AppelLC,Carola

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