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.     

氢同位素球形靶丸在其相应高能离子轰击下的消融

本文采用跨音速中性气体屏蔽模型,得到了氢同位素球形靶丸在其相应高能离子轰击下的消融率G_(is)及其定标律,s可为氢或氘。计算表明,当离子与电子的未扰态能量E_(0s)/E_(0e)~2≥1.5时,G_(is)/G_(es)≥20％,G_(es)为靶丸在等离子体电子轰击下的消融率。因此,当聚变实验有中性粒子束注入加热时,需考虑高能离子轰击对靶丸消融的影响。这也为此情况下靶丸消融强化提供了一种解释。     

ICF用磁性玻璃靶丸悬浮磁场的确定及材料制备初步研究

 根据靶丸悬浮原理，推导出ICF用磁性靶丸在悬浮磁场中受力的函数关系式，从而得到了靶丸悬浮的理论模型。通过实验和理论相结合的方法，得出当靶丸中磁性材料掺入质量百分比由1%增加到6%时，靶丸的磁场强度由0.09 mT增加到0.44 mT，而对应的外界悬浮磁场由0.93 mT减小到0.23 mT。