氢同位素组合靶丸消融率的同位素修正

国际热核聚变堆(ITER)的芯部加料问题是非常困难的。必须找到某些新的改善芯部加料的机制和新的靶丸注入方式。我们研究了5种氢同位素组合的固态靶丸H2，HD，D2，DT，T2在聚变等离子体中消融过程的同位素修正机制。Parks等人研究了高场侧注入的靶丸消融物质在托卡马克中由于VE产生的径向位移。我们用他们的模型对ITER设计参数作了数值计算。结果表明ITER芯部加料的困难问题有了转机。我们将在另一篇文章中讨论。本文主要介绍5种氢同位素组合固态靶丸消融率的同位素修正对芯部加料效率的影响。     

改善ITER弹丸注入芯部加料的研究

研究了五种不同组合的固态氢同位素靶丸H2、HD、D2、DT和T2在聚变等离子体中的消融率。结果表明，燃料靶丸的同位素效应，可导致更深的靶丸消融物质沉积。在同样的本底等离子体条件和弹丸初始参数下，注入氚丸比氢丸的穿透深度增加约40％。适度减轻一些ITER的加料困难。进一步的研究表明从中平面高场侧注入靶丸对芯部加料有显著改善。考虑托卡马克非均匀磁场的影响，被电离的消融云内的垂直漂移电流产生极化，引起带电消融物沿大半径方向朝外漂移。数值模拟计算表明，只要用初始速度为每秒几百米的低速弹丸，便能使靶丸的消融物质沉积到ITER等离子体中心。     

改善芯部加料效率的新机制研究

对五种不同组合的固态氢同位素靶丸H2、HD、D2、DT和T2在聚变等离子体中的消融率作了同位素修正。结果表明,由于这种新机制———同位素效应,引起的靶丸半径烧蚀率修正从氢靶丸的1下降到氚靶丸的0.487。因而在消融率计算时是不可忽略的,这些修正可导致更深的靶丸消融物质沉积因而改善芯部加料效率。更重要的是,考虑到同位素效应后,对ITER的加料困难有适度的减轻。进一步的数值计算工作表明,以低场侧注入半径rp0=0.5cm的DT靶丸,同样渗入ITER等离子体100cm,按Kuteev的2D透镜模型,同位素修正使要求靶丸的初速度从vp0=24.27×105cm·s-1减小到16.2×105cm·s-1,而对Parks模型,从vp0=8.07×105cm·s-1减小到5.4×105cm·s-1。如果从中平面高场侧注入尺寸rp0=0.5cm的DT靶丸,当合并考虑同位素修正和由于消融云内外比压差产生的净垂直极化电流引起的沿大半径方向漂移后,vp0可降低到工程技术上比较容易实现的低速1.73×104cm·s-1从而可能使靶丸的消融物质沉积到ITER等离子体中心。     

靶丸与堆相关等离子体相互作用

作者扩展了计算Li，Be，B杂质靶丸和5种固态氢同位素组合H2，HD，D2，DT，T2靶丸消融率的计算方法，并完成了对堆相关等离子体的数值计算。     

双群模型在偏滤器材料溅射研究中的应用

为了估计偏滤器靶板材料的腐蚀速率和寿命，应用基于离子输运双群模型的溅射理论计算了聚变带电粒子H^ 、D^ 、T^ 和α粒子轰周Mo、W和Li偏滤器靶板表面的溅射产额，并与蒙特卡罗方法的计算结果作了比较。这些数据对估计对等离子体部件的寿命和堆芯等离子体中的杂质水平是有意义的。     

其它——DⅢ-D装置高约束等离子体大幅度ELM抑制的模拟研究

高的边缘压强梯度的H模放电可提高将来聚变反应堆的经济可行性，然而高的边缘压强梯度容易产生ELM不稳定性，它通常能把大的粒子和热负荷排到偏滤器靶板，这些ELM模限制了芯部等离子体性能和降低了偏滤器靶板的寿命。为了维持稳态的高性能等离子体，横越等离子体边界的粒子和热输运能用于粒子和杂质分布控制，因此，任何消除或者缓解大而快的ELM脉冲技术必须用另一个慢的输运过程来代替瞬时的粒子和热输运，这种技术在ITER这样的燃烧等离子体装置中是高度优先的。     

ITER条件下高能量粒子对一种新型离散阿尔芬本征模的影响

离散阿尔芬本征模是托克马克中存在的一种模式,它具有准边缘不稳定性,能被高能量粒子激发成不稳定模式.国际热核实验反应堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)的设计运行有感应方案、稳态方案和混合方案,文中将在稳态方案下结合电流驱动方式来探讨αTAE的不稳定性.本文主要介绍ITER实验设计运行条件,并据此探究ITER中的αTAE(α-induced toroidal Alfvén eigenmode,α是表示等离子体压强梯度大小的一个参数)及其由高能量粒子激发的不稳定性,结果表明在ITER中能够存在这种αTAE,且能够被高能量粒子激发成为不稳定模式.     

惯性约束聚变靶丸内杂质气体抽空流洗过程的数值模拟

低温冷冻靶是实现惯性约束聚变(inertial confinement fusion,ICF)的关键部件之一.低温靶靶丸内杂质气体的去除程度和效率对低温靶燃料冰层的在线制备具有重要意义.依据低温靶物理对冰层杂质含量的设计要求,在计算靶丸内杂质气体最大允许分压的基础上,建立了靶丸内气体在微米级充气管内流动的抽空流洗模型.模拟研究了不同微管尺度及结构、温度对靶丸内杂质气体抽空流洗效率的影响规律,获得了靶丸充气微管的最佳管型设计方案.基于最佳管型设计,优化得到了具有最高抽空流洗效率的抽空时间与流洗次数组合策略.     

反场构型等离子体靶压缩过程中强磁场对α粒子能量的约束效应

基于一维弹塑性磁流体力学程序（SSS-MHD），研究了反场构型（FRC）等离子体靶在磁驱动固体套筒压缩过程中强磁场对α粒子能量约束效应，分析了α粒子的非局域和局域自加热对FRC等离子靶压缩峰值温度的影响，以及α粒子能量在整个压缩过程中端部损失效应。等离子体部分采用多温单流体的模型，能量的计算中引入了DT离子、电子及α粒子多成分温度的能量方程，同时考虑了等离子体压缩过程热平衡下的核反应和非局域自加热问题。研究结果表明，磁化靶聚变等离子体在压缩过程中具有较好的稳定性，能够保持刚性转子的靶结构，压缩过程形成的强磁场能够将α粒子的能量约束在O点附近的区域，有利于等离子体靶的点火及燃烧；α粒子对等离子体的自加热效应主要集中在等离子体电流中心区，而非等离子体中心轴处；α粒子对DT等离子体局域和非局域自加热过程存在差异，局域自加热过程的功率大于非局域自加热过程的功率，FRC等离子靶压缩峰值状态温度相差0.5倍。在反场构型的刮离层区，α粒子的能量端部损失在FRC等离子体靶的压缩和膨胀过程中逐渐增大。     

高压氘氚靶球的制备与拉曼光谱研究

氢同位素的定量分析与监测在能源与环境领域都有着重要的意义。激光拉曼光谱由于其可以无损分析氢同位素分子，已经成为一种重要的方法，在国际热核聚变实验反应堆(ITER)和美国萨凡纳河工厂得到了广泛应用。利用高压充气装置得到了惯性约束聚变(ICF)高压靶丸，并对靶丸内气体进行原位拉曼光谱测量，通过对高压下氘氚混合气体的拉曼光谱进行分析得到了靶丸内气体的成分比例，验证了靶丸充气工艺参数。实验表明，在CCD的积分时间延长到1 min时，氘(DD)，氘氚(DT)和氚(TT)的测量精度可以达到1%，同时对不同时刻靶丸内气体组分的拉曼光谱进行测量，实验结果表明在氘氚渗透和氚衰变两者共同作用下，靶丸内总气体压力随时间不断下降，但是气体组成基本不发生变化。     

Field of interest of bord of editors

Journal of Statistical Physics -