托卡马克电流爬升与稳态运行的集成模拟研究

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托卡马克等离子体放电的过程是一个十分复杂的过程,涉及平衡、磁流体稳定性和输运等方面的研究,这些物理问题的分析和模拟必然需要自洽的整合各种物理过程,比如等离子体平衡、输运、不稳定性以及加热和电流驱动。目前国际上托卡马克等离子体物理研究的一个趋势就是通过整合已有的程序,使人们能够比较自洽的综合研究托卡马克等离子体的物理问题。集成模拟作为托卡马克聚变研究的重要组成部分,它对于物理实验的解释,物理理论的验证以及下一代装置的设计和建造具有非常重要的意义。本文基于通用原子能公司(GA)为主开发的OMFIT集成模拟平台,针对电流爬升与长脉冲稳态放电,发展了新的集成模型,并且在实验上对模型进行了验证。  首先,在等离子体电流爬升模拟中首次运用了目前国际上先进的湍流输运模型TGLF,利用输运程序ONETWO、TGYRO(TGLF+NEO)和平衡程序EFIT,在OMFIT框架下,发展了等离子体电流爬升集成模型,并利用DIII-D电流爬升实验对模型进行了验证。在欧姆爬升和NBI辅助加热爬升的不同算例验证研究中,发现集成模型在预测电子和离子温度剖面及等离子体电流密度分布的演化方面做得相当好,认为这个集成模型可以合理地预测等离子体温度和等离子体电流密度的演化。同时,也对这个模型的适用性进行了分析。这个模型能为CFETR及ITER等未来聚变装置提供良好的前期模拟预测。  长脉冲高约束放电是未来磁约束聚变堆装置如ITER、CFETR迈出商业化必须面临的一个巨大挑战,也是目前EAST实验在最近几年一直在研究和探索的主线目标。针对EAST长脉冲H模实验,发展了EAST长脉冲H模集成模型。该模型很好的重现了EAST长脉冲H模放电温度和电流剖面,计算表明低杂波驱动的电流是非感应电流主要成分(70%),这与目前世界上其他装置实现完全非感应放电方案是不一样的。同时也验证了TGLF-SAT1模型适用于EAST长脉冲H模放电,GENRAY+CQL3D程序计算低杂波也是首次在EAST H模放电中被验证。在此基础上,通过改变ECH沉积位置,得出了与实验一致的结果,即ECH沉积在芯部比沉积在外部的对约束性能的改善更为明显。  结合前面的计算结果,通过计算发现,在EAST长脉冲H模放电中,对约束改善的成因主要是由于ECH沉积在芯部,导致电子温度峰化,进一步促进了LHW沉积在芯部,最后芯部加热和峰化的电流分布共同实现了对约束的改善。这项研究对EAST上模拟与实验的结合以及对实验结果分析具有重要的意义。
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