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。     

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。     

HL-2A装置弹丸注入实验

弹丸注入加料与传统的补充送气加料方式相比具有以下几个优势：（1）更深的燃料沉积，（2）更高的加料效率，（3）更纯净的等离子体等。同时通过弹丸注入加料提高等离子体的性能已在很多托卡马克装置上得到了验证。由于弹丸注入后的粒子沉积会引起局部等离子体温度和密度梯度的变化从而影响等离子体输运性能，所以弹丸注入加料也可以作为研究粒子输运过程的方法。     

杂质靶丸注入在ITER诊断中应用的可行性

国际热核实验堆ITER-FEAT设计已完成。在ITER中，α粒子诊断是运行控制方面的一个关键性问题。从Kuteev的氢类靶丸消融理论出发，导出了杂质靶丸的半径烧蚀速率和粒子消融速率。并对杂质靶丸注入在未来ITER中作为α粒子诊断的可行性进行了探讨。计算和理论分析表明锂靶丸具有较多兼容性，既可用作α粒子诊断也可测量等离子体的q分布。     

HL—1M多发弹丸注入的CCD摄像触发方式的改进

多发弹丸加料是为稳态聚变堆提出的,它可以控制放电等离子体密度分布,改善约束性能和提高密度极限,是国际受控核聚变研究的重要内容之一。在实验中CCD相机可以用于研究弹丸与等离子体相互作用的许多复杂物理现象,用它拍摄弹丸在等离子体中消融云的照片是研究弹丸消融过程极其有效的手段。1999年用改进后的8发氢弹丸加料系统在水平方向上注入HL－1M等离子体,用SensiCam360LF型CCD相机在弹丸发射线连接法兰轴线上端,进行弹丸消融云的拍摄,观察弹丸的消融过程。     

EAST中加热功率对弹丸注入加料效率的影响

介绍了 EAST 装置气动加速氘弹丸注入加料系统和不同加热功率条件下弹丸加料效率的实验结果。 当等离子体加热功率从 1MW 逐渐增加到 10MW 时,弹丸加料效率从 60%降低到 10%。加热功率的升高导致弹 丸粒子的沉积深度 λp/a 降低达 50%左右,从而导致大量的弹丸粒子沉积在等离子体边界。     

弹丸实验中的粒子约束特性分析

多年来，许多托卡马克装置都在进行着氢弹丸和氘弹丸的注入实验研究，其主要目的在于探索用弹丸注入方法对将来聚变反应堆实验再加料的可行性。因为弹丸加料与气体加料相比具有使大部分加料粒子能沉积在等离子体芯部的明显优点。芯部加料可以产生更峰化的密度剖面和更高的聚变反应率，能改善能量和粒子约束特性。在JT－60，Alcator-C以及ASDEX等装置的弹丸实验中，在等离子体中心区域均获得了高度峰化的密度和压强分布，使等离子体的约束性能获得改善。     

用CCD相机观测HL—1M弹丸消融过程

利用高速ＣＣＤ相机拍摄了ＨＬ－１Ｍ等离子体中注入氢弹丸时的Ｈａ辐射照片。得到的弹丸不同形状消融云照片表明：弹丸轨迹发生弯曲和出现条纹。通过对照片的处理获得了辐射光强的空间分布、弹丸的速度与轨迹,分析了弹丸与等离子体相互作用的物理机制,为进一步在弹丸注入条件下用ＣＣＤ测量等离子体局部磁场和电流分布打下了基础。     

弹丸消融速率的理论模型及数值计算

建立了计算托卡马克加料中弹丸消融的物理模型,结合1维输运模型编制了1.5维弹丸消融计算机模拟代码。使用ITER-FEAT的相关参数,对半径为6mm,初速度为2000m·s?1,从低磁场侧注入弹丸的消融速率进行了模拟计算。结果显示,弹丸消融速率先随注入深度而逐渐增大,最大消融速率约6×1026s?1,然后由于弹丸半径的减小,消融速率迅速减小,穿透深度约0.45m。这一结果与中性气体屏蔽模型(NGS)的结果一致,证明计算代码正确有效。同时,从计算结果反映出,对ITER这样的堆级托卡马克,采用常规弹丸注入方式,尽管速度高达2000m·s?1,穿透深度也远未达到等离子体中心,因此应采取其他有效措施来提高等离子体加料效率。     

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建立了计算托卡马克加料中弹丸消融的物理模型,结合1维输运模型编制了1.5维弹丸消融计算机模拟代码。使用ITER-FEAT的相关参数,对半径为6mm,初速度为2000m·s?1,从低磁场侧注入弹丸的消融速率进行了模拟计算。结果显示,弹丸消融速率先随注入深度而逐渐增大,最大消融速率约6×1026s?1,然后由于弹丸半径的减小,消融速率迅速减小,穿透深度约0.45m。这一结果与中性气体屏蔽模型(NGS)的结果一致,证明计算代码正确有效。同时,从计算结果反映出,对ITER这样的堆级托卡马克,采用常规弹丸注入方式,尽管速度高达2000m·s?1,穿透深度也远未达到等离子体中心,因此应采取其他有效措施来提高等离子体加料效率。     

HL-2A 充气弹丸注入加料的数值模拟研究

为了提高 HL-2A 等离子体中弹丸加料深度和加料效率,研制了新型充气弹丸注入加料方法。忽略 充气弹丸非加料包层的烧蚀过程,在 HL-2A 托卡马克位形下,应用 Trans-neut 程序对沉积在径向归一化磁通ψ=0.9 位置处的充气弹丸输运特性及其与本底等离子体自洽的相互作用过程进行了二维数值模拟研究,给出了加料粒子 和本底等离子体剖面的时空演化。发现氘离子在弹丸加料位置的径向内侧沉积、峰化,在径向扩散作用下,芯部 密度不断增加。在加料期间,加料点的离子温度和电子温度降低的区域不断扩展,电子温度剖面在极向上的演化 过程要快于离子温度剖面的演化过程。弹丸沉积位置的归一化分子数密度和径向分布宽度先减小后增加,与加料 处的分子分解源项(即分子密度损失率)先增加而后减小呈负相关。     

HL—1M装置的密度极限研究

描述了ＨＬ－１Ｍ 装置欧姆加热状态下的密度极限,该密度极限是放电破裂前的最高密度值。通过比较氘、氢放电,硅化前后的放电,超声分子束注入、冰弹丸注入和脉冲送气放电,发现ＨＬ－１Ｍ装置的壁条件、加料方式以及氢同位素对ＨＬ－１Ｍ 装置的密度极限影响很大。产生密度极限破裂的原因主要是等离子体约束变差,总体辐射损失与欧姆加热功率平衡被破坏     

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为在更高参数运行的HL-2A装置上实现等离子体芯部加料,设计了一套基于G-M循环制冷机的25管弹丸注入系统。描述了该系统的构成、工程参数,给出了系统的结构设计,并对各组成部件进行热力分析计算。对枪管温度梯度的建立及控制、弹丸注入方式等进行了讨论。     

强场和弱场侧超声分子束注入对加料的影响

报道了HL-2A装置最新的实验结果,讨论并研究了超声分子束的注入位置对分子束在等离子体中的消融和穿透的影响,其中包括电离后的分子束粒子在磁场梯度作用和 E × B 漂移下的加速或减速及由此形成的冷通道效应.研究结果表明,磁场梯度和 E × B 漂移对于超声分子束的加料效果、消融和穿透有着重要的作用.强场侧注入可使电离后的电子和离子更深地进入等离子体芯部.这些研究对于更好地理解超声分子束与等离子体的相互作用和优化设计加料系统有一定作用.     

Numerical simulation of fueling pellet ablation and transport in the EAST H-mode discharge

To understand the effect of injected deuterium (D) pellets on background plasma, the ablation of D pellets and the transport of D species in both atomic and ionic states in the EAST device are simulated using a modified dynamic neutral gas shield model combined with the edge plasma code SOLPS-ITER. The simulation results show that there is a phenomenon of obvious atomic deposition in the scrape-off layer (SOL) after pellet injection, which depends strongly on the injection velocity. With increasing injection velocity, the atomic density in the SOL decreases evidently and the deposition time is relatively shortened. Possible effects for triggering of edge localized modes (ELMs) by D and Li pellets are also discussed. With the same pellet size and injection velocity, the maximum perturbation pressure caused by D pellets is obviously higher. It is found that the resulting maximum perturbed pressure is remarkably enhanced when the injection velocity is reduced from 300 m/s to 100 m/s for a pellet with a cross section of 1.6 mm, which indicates that the injection velocity is important for ELM pacing. This work can provide reasonable guidance for choosing pellet parameters for fueling and ELM triggering.     

Porous generator of thermonuclear fuel pellets

A model of solid hydrogen isotope pellet formation is proposed for an original porous generator employed in the system of periodic particle injection into the plasma of thermonuclear devices. The results of model calculations show that the frequency of 3-mm pellet formation in this system may reach up to 2, 1.3, and 1 Hz for hydrogen, deuterium, and tritium, respectively.     

Simulations of fast component and slow component of SMBI on HL-2A tokamak

It is very important to improve the penetration depth and fueling efficiency of supersonic molecular beam injection(SMBI) especially for the next generation fusion devices such as ITER. Two components, a fast component(FC) and a slow component(SC), have been observed in the HL-2A SMBI experiments for several years, and the FC can penetrate much more deeply than the common SMBIs which draws a great deal of attention for a better fueling method. It is the first time to the FC and SC of SMBI have been simulated and interpreted in theory and simulation in this paper with the trans-neut module of the BOUT++ code. The simulation results of the FC and SC are clear and distinguishable in the same way as the observation in experiment. For the major mechanism of the FC and SC, it is found that although the difference in the injection velocity has some effect on the penetration depth difference between the FC and SC, it is mainly caused by the self-blocking effect of the first ionized SMB. We also discuss the influence of the initial plasma density on the FC and SC,and the variation of the SC penetration depth with its injection velocity.     

托卡马克装置弹丸加料系统中一种新的低温制丸技术的探索

提出了一种新的低温制丸技术磁制冷技术 ,并探索其在托卡马克装置弹丸加料系统中的应用