先进偏滤器的脱靶行为的数值模拟研究

It is a key quesition that if the divertor in Tokamak can handle the heat load. According to a estimation of divertor heat load in future fusion reactor, standard divertor of ITER can not endure the high heat power. Preliminary theoretical and experiemental studies indicate that advanced Snowflake and Super-X divertor configuration can effectively reduce heat load on divertor target. In future fusion reactor, divertor should be operated in detachment mode, in which significant heat power is removed by radiation loss. Therefore, it is necessary to research detachment performance of advanced divertor. In this project, we will give the physics picture of heat load reduction in advanced divertor based on numerical simulation by using SOLPS. Effect of various control parameter on divertor detachment, helium exhaust and core impurity will be explored under fusion reactor condition, and the validity and feasibility will be predicted when advanced divertor is adopted in future fusion reactor. Furthermore, the validity of advanced divertor in domestic tokamak devices would be studied, for promoting advanced divertor reseach in China, and for supporting divertor design in future fusion reactor in China.

偏滤器能否承载热负荷是托卡马克能够稳态运行的关键问题之一。根据对偏滤器热负载的估计，ITER的标准偏滤器位形不足以承载未来聚变堆的高热功率。初步的理论计算和实验结果表明Snowflake和Super-X先进偏滤器位形可以有效的降低靶板的热负载。在未来的聚变堆中，偏滤器应当在脱靶状态下运行，通过辐射损失大大降低靶板的热负载，因此对于先进偏滤器的脱靶行为的研究是必要的。本项目旨在通过基于SOLPS的数值模拟研究给出先进偏滤器位形降低靶板热负载的物理图像，探索聚变堆条件下各种控制参数对偏滤器脱靶模式以及对排灰和芯部杂质水平的影响，预测先进偏滤器在聚变堆中应用的可行性和有效性；同时对国内的托卡马克装置中采用先进偏滤器位形的可行性进行研究，促进我国在先进偏滤器研究中的步伐，为我国未来聚变堆偏滤器设计提供研究基础。

偏滤器能否承载热负荷是托卡马克能够稳态运行的关键问题之一。根据对偏滤器热负载的估计，ITER的标准偏滤器位形不足以承载未来聚变堆的高热功率。初步的理论计算和实验结果表明Snowflake和超-X先进偏滤器位形可以有效的降低靶板的热负载。在未来的聚变堆中，偏滤器应当在脱靶状态下运行，通过辐射损失大大降低靶板的热负载，因此对于先进偏滤器的脱靶行为的研究是必要的。基于SOLPS开展了雪花偏滤器和超-X偏滤器的数值模拟，基于密度扫描研究了两种先进偏滤器达到脱靶的条件。对于雪花偏滤器，连接长度的增加对于促使偏滤器脱靶有着重要的贡献；而对于超-X偏滤器，更加封闭的偏滤器结构对中性粒子约束的改善能够促进偏滤器脱靶。为了探索先进偏滤器的位形控制方法，针对EAST装置，在TSC中开发了基于奇异值分解算法的位形控制模块，能够通过多个位置极向磁通和磁场决定等离子体形状。对于存在额外的极向场为零的点，通过规定选定的位置相对于主X点的极向磁通偏移以及极向场为零，能够实现对先进偏滤器位形的控制。进一步对于中国聚变工程实验堆，设计了雪花偏滤器和超-X偏滤器位形，模拟结果表明两种先进位形均能够满足偏滤器靶板热流低于10 MW/m2的工程限制。相对于传统偏滤器，雪花偏滤器具有更大的脱靶运行窗口，而超-X偏滤器内外靶板的不对称性更低，结果初步表明了先进偏滤器解决未来聚变堆排热问题的有效性。