CFETR托卡马克中弹丸注入的加料效率和燃料粒子沉积的初步数值模拟

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中国聚变工程试验堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)的核心目标是实现200 MW到1 GW的聚变输出功率和氚自持,在高约束模式下如何进行高效的燃料补充对实现这一目标至关重要,传统的加料方式如吹气和超声分子束已经难以实现聚变工程实验堆燃料消耗的有效补充。弹丸加料作为一种成熟的加料方式,已经在许多大型装置上得到了验证,且被国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)选择作为加料的主要方式,弹丸加料因此是最有可能在CFETR上实现有效加料的技术方案,这对实现CFETR稳定的聚变功率输出和稳态运行至关重要。本文主要针对托卡马克中弹丸加料的消融,沉积,输运等物理过程进行了解析计算和数值模拟研究。首先根据弹丸消融的中性气体屏蔽(Neutral Gas Shielding,NGS)模型,计算出不同情形下的弹丸在托卡马克装置中的注入深度和加料效率,其次通过弹丸在高场侧和低场侧的注入深度进行比较与讨论。在BOUT++框架的输运程序transneut的基础上,本论文结合CFETR的设计参数,建立了二维燃烧等离子体的输运模型。并对高温等离子体条件下的弹丸加料过程进行了研究。通过耦合trans-neut模块和NGS模型,数值模拟了弹丸注入背景等离子体并完全消融后的输运过程,研究了加料过程对背景等离子体性质的影响,并将相应的模拟注入深度与NGS模型预测的注入深度进行了比较。本论文的初步研究结果表明NGS模型解析计算的结果与数值模拟的结果对于弹丸注入深度的计算结果基本一致。即便考虑到屏蔽效应,中性粒子也将在亚毫秒的时间尺度内完全电离,最终大部分氘离子沉积在归一化半径0.7到0.9之间。在弹丸注入速度为500 m/s,半径为3.5mm时就有较好的加料效果,这些结果可以为CFETR中弹丸加料的可行性方案以及装置设计参数的优化方案提供了合理化建议。
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