托卡马克边界等离子体输运的三维模拟

磁约束聚变装置里位于芯部等离子体与第一壁之间的边界等离子体，其行为既对芯部等离子体产生重要影响又影响自身与第一壁相互作用。边界等离子体行为将直接影响未来聚变堆的排灰、排热和杂质控制，其研究已成为当前聚变研究的前沿课题。在纺星器LHD、W7-AS等装置上的实验结果显示，复杂的磁力线拓扑结构对边界等离子体输运有重要影响。托卡马克由于纵场波纹度以及外加干扰场的影响，其偏滤器等离子体磁场位形具有三维结构，而且具有分立限制器的托卡马克在限制器放电位形下，刮削层（SOL）有着更为复杂的三维磁场拓扑结构，因此开展托卡马克边界等离子体和杂质输运的三维模拟研究，可给出更符合实际物理条件的定量结果，以求解释当前模拟和实验不相符合的某些边界物理实验现象, 为优化国内大中型托卡马克装置的运行提供参考。开展该模拟研究对于解决有关ITER边界等离子体输运的科学问题具有重要意义

磁约束聚变装置里位于芯部等离子体与第一壁之间的边界等离子体，其行为既对芯部等离子体产生重要影响又影响自身与第一壁相互作用。边界等离子体行为将直接影响未来聚变堆的排灰、排热和杂质控制，其研究已成为当前聚变研究的前沿课题。在纺星器LHD、W7-AS等装置上的实验结果显示，复杂的磁力线拓扑结构对边界等离子体输运有重要影响。托卡马克由于纵场波纹度以及外加干扰场的影响，其偏滤器等离子体磁场位形具有三维结构，而且具有分立限制器的托卡马克在限制器放电位形下，刮削层（SOL）有着更为复杂的三维磁场拓扑结构，故开展托卡马克边界等离子体和杂质输运的三维模拟，可给出更符合实际物理条件的定量结果，以求解释当前模拟和实验不相符合的某些边界物理实验现象。主要研究内容和成果：1. 和德国同行合作完成编制一个以磁约束聚变装置的真实边界几何和磁场位形构建复杂的三维边界计算网格的程序，该程序能方便地得到通用的tokamak偏滤器放电位形（单零、近单零和双零）的三维计算网格，并将该网格构建程序推广，现能得到作为先进偏滤器位形之一的雪花偏滤器（Snowflake）的三维计算网格；在真实几何位形和和平衡磁场位形下第一次使用EMC3程序初步模拟了EAST (实验炮号：35300)偏滤器近双零（disconnected double null）放电位形下刮削层等离子体的三维输运过程，同时开展了雪花偏滤器位形下等离子体的输运过程模拟，已有初步的结果。2. 和同行专家合作，提出一种新耦合刮削层（SOL）三维（3D）边界模拟程序EMC3_EIRENE和一维等离子体芯区试探杂质流体输运程序的数值方法来研究杂质的全局输运。在给定芯区等离子体参数和输运系数剖面分布下，给定刮削层和芯区的分界面上特殊边界条件，通过预计算得到一维（1D）有限差分法模型方程的一些特解。由特解的线性组合给出通解，将其变成''蒙特卡洛方法形成所谓的'电荷态转移概率矩阵''。该矩阵在刮削层和芯区的分界面提供了明确的边界条件，从而得到同时满足SIOL和芯区杂质输运的自洽解，而不需要在SOL和芯区输运的分别迭代。节省了计算时间，更好地应用于高Z杂质的输运模拟；3 初步开展了EAST托卡马克等离子体中钨杂质输运特性的模拟研究。该项目模拟研究可以为优化国内大中型托卡马克装置的运行提供参考，对于有关ITER边界等离子体输运的科学问题具有重要意义。