EAST不同密度剖面下中性束注入模拟研究.docx

1、第32卷第3期核聚变与等离子体物理Vol.32,No.32012年9月NuclearFusionandPlasmaPhysicsSep.2012文章编号：0254-6086(2012)03-019306EAST不同密度剖面下中性束注入模拟研究王骥巳胡纯栋槌，吴斌2,王进芳2(1.中国科学技术大学.合肥230026；2.中国科学院等离子体物理研究所.合肥230031)摘要：中性束注入是等离子体加热和电流驱动的重要方式之一，对EAST中性束注入的精确模拟对未来物理实验至关重要。采用ONETWO和NUBEAM程序模拟4MW、80keV中性束同向注入.不同的等离子体密度剖面导致不同的电子和离子加热、穿

2、透功率损失、束驱动电流以及中子发射等。等离子体密度在以上的物理参数的演化中起着重要的作用。对EAST两种密度方案下中性束注入的效果进行了分析和讨论，并对未来中性束实验提供了一些预言性的建议和方案。关键词：中性束注入；ONETWO程序；NUBEAM程序；EAST中图分类号：O532P1文献标识玛：A收稿日期：2011-10-20;修订日期：2012-01-06基金项目：国家自然科学基金资助项目(10975160；11175211)作者简介：王骥(1979-),男，安徽舒城人，博士研究生，主要从事中性束与等离子体相互作用及相关数值模拟研究。1引言把等离子体加热到10keV以上是实现聚变点火必不可少

3、的基本条件之一。为了把等离子体提高到这样的高温.必须要采用一些辅助加热方式。中性束注入加热作为一种物理机制相对清楚的辅助加热手段被广泛用于各国核聚变装置，并取得了良好的物理实验效果比习。由于中性原子(通常是氢或氮的同位素)不受约束磁场的影响可以直接注入到等离子体中，进入等离子体后通过与背景等离子体电荷交换和碰撞电离后变成快离子被磁场捕获，这些高能离子再和背景等离子体发生库伦碰撞，把能量交给等离子体，从而达到加热等离子体的目的。NUBEAM程序是一个采用蒙特卡罗方法的针对轴对称托卡马克快离子时间演化的束模拟程序。NUBEAM跟踪快离子直到其慢化为热离子温度的3/2以下为止。在NUBEAM中已考虑

4、了多条束线,并且每条束线都有其各自的束线儿何、束成分以及全能量、1/2能量和1/3能量份额等特征参数。NUBEAM程序对中性束注入的计算涉及功率沉积、快离子二维轨道、束驱动电流以及束的各种损失等。ONETWO输运程序是对托卡马克中能量、粒子、环向旋转、电流密度和平衡演化求解磁面平均输运方程旬，其已经成功集成了NUBEAM程序。ONETWO为NUBEAM产生输入文件，同时调用NUBEAM的快离子物理程序包。ONETWO和NUBEAM的成功集成，使得中性束注入的模拟有了新的工具和方法。2EAST不同密度剖面的模拟方案EAST中性束注入系统正在按进度建造中，从一些不同物理参数出发的模拟也已经有了初步

5、的结果(9,，0,oEAST中性束注入系统的布局如图1所示。一期A窗口的中性束设计为两个离子源同向注入，最大功率4MW,束能量范围5080keV可调。两个离子源引出夹角为8.7.切向注入角设计为19.5。二期F窗口的中性束设计基本同A窗口，不同之处是反向注入。图1EAST中性束布局图在中性束注入过程中，等离子体密度直接影响束的透入深度、功率沉积和损失等【儿。在原子过程中，背景等离子体密度在束原子与背景中性原子的电荷交换、与背景电子和离子的电离中将起到重要的作用。根据EAST以往物理实验的密度以及未来高密度的目标，依据经验公式密度剖面设定为：/=f(a)+/(0)-/(。)(1-打式中，/Xx)

6、为密度函数；*为归一化的磁面坐标，即05;/(0)为磁轴处的密度；/(a)为边界处的密度；方和c为指数系数，通过调整力和。的值可以得到不同的密度梯度。为了研究EAST放电时不同密度剖面下中性束的注入效果，本文通过设置密度剖面经验公式中的参数选用两种密度剖面方案，如图2和图3所示。图2方案一密度剖面图3方案二密度剖面p为归一化的磁面坐标，p=,6为给定磁面的环向磁通，鸟为纵场。这两种方案的边界密度均为1.0xl0,3cm-3o在方案一中，其芯部密度分别为5.5xl0i3cm3、4.0xl0i3cm-3、2.5xl0%m-3,分别对应着EAST低密度、中密度和高密度。在此选用的低密度要比目前EAS

7、T实验中的低密度高,是考虑到高能中性束注入密度过低等离子体将发生大部分能量穿透损失，加热效果不明显。而在方案二中，其平均密度均为：ne(p)dp/dp=3.5x10*3cm-3(2)这意味着在EAST中方案二的三种密度剖面对应的电子数目是相同的，只是其分布剖面不同。剖面心为一般的L-模密度剖面，ne_C为类H.模密度剖面，而_B为介于两者之间的密度剖面。在本次模拟实验中，假定两种方案的初始磁面平衡位形是相同的，纵场凡=3.0等离子体电流/=1MA；大半径R=170cm,小半径Dem,如图4所示。本次模拟研究中假定电子和离子具有相同的初始温度剖面分布，其芯部电子和离子温度7；(0)=7；(0)=

8、1.2keVo为了更加深入清楚地了解当前EAST密度的不同剖面对中性束注入效果的影响,本实验只针对正在建造中的A窗口同向注入中性束采用固定4MW、80keV并由中平面1.5s连续注入模拟。在ONETWO输运程序中，采用了MMM95输运模型，模型源自多模输运模型1995年版，其包含了多种不同输运理论，如Weiland的离子温度梯度模和捕获电子模，Guzdar-Drake的反漂移气球模和动态气球模。其后，MMM95又计划加入新经典输运，并在1998年又添加了流剪切效应W】。图4初始时刻的磁面平衡位形3不同模拟方案的结果与分析3.1穿透功率损失穿透功率损失指的是束粒子注入等离子体后没有被完全电离而打

9、到真空室注入窗口对面壁上所导致的功率损失。两种不同方案在4MW、80keV中性束1.5s注入后其功率穿透损失如图5所示。在方案一中，密度越低，束穿透功率越大。在芯部密度为2.5xlO%mT时，其穿透功率已高达1.35MW。这是由于等离子体密度越高，其与束原子发生电荷交换截面()和碰撞电离截面(电子碰撞截面/和离子碰撞截面0)就越大，由免束原子成为D+离子而被磁场捕获的概率就越大，从而导致穿透功率的减小。而在方案二中，由于三种剖面平均密度均为3.5xI0,3cm-3Bt,其穿透功率相差不是很大。但是其密度剖面分布对束穿透功率损失还是有影响的。在这种方案中，芯部密度梯度比较大的剖面，其穿透损失比较

10、高，而芯部密度梯度较小的剖面，其穿透功率损失就比较小。这是因为边界密度高，在束与等离子体的碰撞过程中碰撞截面大，束的能量衰减的比较大，其穿透的概率就减小。在低密度情况下，束的穿透功率损失比较大，一部分未被电离的高能束原子直接打到真空室的壁上，造成壁局部高功率能量沉积，可能直接损坏壁。从安全的角度考虑出发，要尽量避免低密度高功率高能最中性束注入这种情况的发生，或在真空室壁上采取有效的防护措施，防止束穿透损坏壁。1.41.2芝1.00.80.6040.20.0图5L1.5S两种方案的穿透损失图5L1.5S两种方案的穿透损失3.2加热效率EAST中性束建造的重要目标就是加热等离子体。在束注入1.5s

11、后，这两种方案的温度如图6所示。如图6所示，高能中性束注入后，等离子体温度有了明显的提高。两种方案中的温度剖面的芯部温度都在一定程度上出现了峰化，并且所有的剖面都是离子温度高于电子温度，这说明EAST中性束加热的离子温度要高于电子温度。在方案一中，三种剖面中，密度越低，等离子体的温度提高越多。虽然在低密度情况下，束的穿透损失比较大，但由于在低密度情况下EAST磁场中约束的电子和离子总数要比高密度情况下要少很多，这样快离子能最通过碰撞交换给这些电子和离子的平均能量就要高于高密度情况下的电子和离子。方案二中的三种温度剖面相对来说差别不是很大，但温度剖面分布有所不同，这是由于束穿透损失、电荷交换损失

12、、轨道损失、功率沉积以及碰撞截面等众多原因综合作用导致的，其物理机制比较复杂。从效果来看，在平均密度一定的情况下，如果想得到比较理想的加热效果，应该适当选取如心这样密度剖面的背景等离子体剖面。文章中研究的是特定的不同密度对中性束注入加热效率的影响，并没考虑中性束加料的影响，如考虑中性束注入等离子体后对密度增加有贡献，则图6的电子和离子温度将有所下降。3.3电流驱动沿环电流方向注入中性束，高能中性粒子被捕获后，其离子运动基本沿束的初始方向，而被剥离的电子则已无规化。这样，这些离子就会在等离子体中形成一个定向电流U4*。中性束驱动的电流可以维持托卡马克平衡位形周。两种方案中性束注入在电流驱动方面的

13、贡献如图7所示。在方案一中，容易看出密度越小电流驱动效率越高。而在方案二中，虽然剖面不同，但是由于平均密度相同，其电流驱动效率相差不是很大。根据Cordey束驱动电流的基本理论，中性束注入产生的驱动电流密度可以近似表示为：Jb=Jbo1(1一G)式中，Zb为中性束束原子质量数；Z为有效核电荷数;6=(1.55+0.85/7)时2_(0.2+1.55/Z/#,/为环径比。R的表达式比较复杂，定性表达为：图7两种方案在井l.5s时的电流驱动剖面%由式(3)和式可得：tViL(5)由式(5)可见，在电子温度C相差不大的情况下，背景等离子体密度越小，中性束注入驱动电流密度越高。在方案一中，由前面已知三

14、种加热后的温度剖面的相对变化量明显小于其初始密度相对变化量，这导致了_c,初始剖面的束驱动电流密度最大，而的束驱动电流密度最小。方案二中，由于三种密度剖面的平均密度相同，其束驱动电流密度也近似，但由于密度剖面又有所不同这导致了束驱动电流密度的不同。在这两种方案中，在p0.8的区域，电流驱动的幅值显著趋小，这是香蕉轨道扩散导致的。对比这两个方案，在不改变束功率和能量等参数的情况下，如想提高中性束驱动电流的效率，就得降低等离子体的平均密度，而只想通过改变等离子体密度剖面来达到增大电流驱动的效果是不明显的。3.4束-靶中子发射中子是聚变产物同时也是聚变反应的参与者。两种方案下中性束与背景等离子体相互

15、作用得到的r=1.5s束-靶中子发射密度如图8所示。从图8可见，在Qv0.8的范围内无论是方案一还是方案二，等离子体密度越高则束靶中子密度越高，并且与等离子体密度的剖面近似趋向一致。在目前的EAST实验中，中子主要是D核-D核反应的产物，等离子体电子密度越高，根据准中性条件,离子密度也就越高，其D核与束D核的碰撞截面越大，产生的中子就越多，这导致了中子产额剖面与背景等离子体密度剖面趋于一致。对其积分后的量级也只是10%一3,就其中于密度量级来说要比本底等离子体密度小5个量级，可见EAST中性束束-靶中子密度还是很小的，还没有到反应堆中子的最级。图8/=1.5s束-轮反应中子密度剖面图8/=1.

16、5s束-轮反应中子密度剖面TECO一、更=宓小-9-职，厚4总结针对正在建造中的EAST装置A窗口同向注入NBI系统，采用输运程序ONETWO结合束模拟程序NUBEAM对不同密度情况下的注入情况进行了模拟。本文对中性束注入后1.5s对穿透功率损失、加热效果、电流驱动以及中子发射等方面做了两种密度方案结果的分析和对比。穿透功率随着平均密度的增加而减小，而在平均密度一定的情况下，芯部密度高边界密度低则穿透功率也越高。EAST中性束加热主要是对离子的加热，并且其芯部也趋于峰化。平均密度越高，则加热效果相对要差些。在平均密度一定、剖面不同的情况下，加热温度相对来说差别不是很大，而得到的温度剖面情况有所

17、不同，这主要是由于束穿透损失、电荷交换损失、轨道损失等众多原因综合作用导致的。电流驱动效率随平均密度的增大而减小，而平均密度相同的情况下，电流驱动效率差别也不是很大。束-靶中子发射在两种方案下的密度剖面基本与背景等离子体密度剖面趋于一致，密度越大，中子密度也越大。下一步的工作将针对二期建设F窗口的反向中性束注入以及同向和反向中性束同时注入进行模拟，以期得到中性束对EAST注入效果比较明确的结果。感谢中国科学院等离子体物理研究所理论室在使用ONETWO和NUBEAM方面给予的帮助，同时感谢NTCC和GA在开发程序和推广方面付出的巨大努力。参考文献：1 AkersRJ,AppelLC,Carola

18、nPG,ctal.NeutralbeamheatingintheSTARTsphericaltokamakJ.Nucl.Fusion,2002,42:122-135.2 ZohmH,AdamckJ,AngioniC,etal.OverviewofASDEXUpgraderesultsJ.Nucl.Fusion,2009,49:104009.3 AsakuraN,FonckRJ,JaehnigKP,etal.ToroidalrotationandionheatingduringneutralbeaminjectioninPBX-MJ.Nucl.Fusion,1993,33:1165-1184.4

19、 HuLQ,KuriyamaM,AkinoN,etal.Beamdivergenceandpowerloadingonthebeamlinecomponentsofthenegative-ionbasedNBIsystemforJT-60UJ.FusionEngineeringandDesign,2001,54:321-330.5 CiricD,BrownDPD,ChallisCD,etal.OverviewoftheJETneutralbeamenhancementprojectJ.FusionEngineeringandDesign,2007,82:610-618.6 PankinA,Mc

20、CuneD,AndreR,etal.ThetokamakMonteCarlofastionmoduleNUBEAMinthenationaltransportcodecollaborationlibraryJ.ComputerPhysicsCommunications,2004,159:157-184.7 MurakamiM,GreenfieldCM,WadeMR,ctal.100%noninductiveoperationathighbeuusing。作axisECCDinD1II-DJ.Nucl.Fusion,2005,45:1419-1426.8 KesselCE,GiruzzilG,S

21、ipsACC,etal.SimulationofthehybridandsteadystateadvancedoperatingmodesinITERJ.Nucl.Fusion,2007,47:1274-1284.9 NiQL,FanTS,ZhangX,ctal.PredictivecalculationofneutralbeamheatingplasmasinEASTtokamakbyNUBEAMcodeforcertainparameterrangesJ.PlasmaScienceandTechnology,2010,12:661-667.10 WangJF,WuB,HuCD.Simula

22、tiononheatingandcurrentdriveusingneutralbeaminjectionwithvariableinjectionangleonEASTJ.PlasmaScienceandTechnology,2010,12:289-294.11 石秉仁.磁约束聚变原理与实践M.北京：原子能出版社,1999.12 WessonJ.TokamaksM.Oxford:ClarendonPress,2003.(13JBatemanG,KritzAH,KinseyJE,etal.PredictingtemperatureanddensityprofilesintokamaksJ.Ph

23、ysicsofPlasmas,1998,5:1793-1799.14 CordeyJG,JonesEM,StartDFH,etal.Akinetictheoryofbeam-inducedplasmacurrentsJ.Nucl.Fusion,1979,19:249-259.15 CordeyJG.ConfiningcurrentintokamaksJ.Nature,1979,277:518-519.16 StartDFH,CordeyJG.Beam-inducedcurrentsintoroidalplasmasofarbitraryaspectratioJ.PhysicsofFluids,

24、1980,23:1477-1478.17 StartDFH,CordeyJG,JonesEM.TheeffectoftrappedelectronsonbeamdrivencurrentsintoroidalplasmasJ.PlasmaPhysicsandControlledFusion,1980,22:303-316.18 SimoncnTC,MatsuokaM,BhadraDK,etal.Neutralbeamcurrent-drivenhigh-poloidal-betaoperationoftheDIII-DtokamakJ.Phys.Rev.Lett.,1988,61:1720-1723.Predictivesimulationofneutralbeaminjectionwithdifferentdensityon