CFETR聚变alpha粒子磁场波纹损失的数值模拟研究

The self-heating of the 3.52 MeVfusion alpha particle will dominate in the burning plasma, and it is an key issue to evaluate its confinement under the magnetic ripple disturbance. Due to the periodic distribution of magnetic ripples from the tokamak toroidal field coils, ferromagnetic inserts and the locally non-periodic distribution of TBM, it is necessary to have a complete and detailed numerical analysis to reliably evaluate the alpha particle confinement problem. The program plan to use guiding center code ORBIT and full orbit code SPIRAL to carry out numerical simulation in CFETR. First, to evaluate the alpha loss and loss channel with ripple perturbation from toroidal field coil only, and then to incorporate ferromagnetic inserts with the complex magnetic field perturbation reconstruction, using full orbit model to evaluate the cyclotron resonance effect between the alpha particle and ripple field, which give fusion alpha particle loss and the first wall deposition distribution. According to the heat load tolerance of the first wall component of the reactor in fusion reactor, the design criteria of magnetic field ripples generated by the CFETR magnets, ferromagnetic inserts and TBM will be given. This research is of great significance to the design of fusion reactor and the study of energetic particle physics.

燃烧等离子体中3.52 MeV的alpha粒子自加热将占主导，评估其在磁场波纹扰动下的约束十分重要。聚变堆磁场波纹来自周期分布的tokamak纵场线圈，铁素体钢插件和局域非周期分布的氚增值包层模块，需要有完善细致的数值分析才能可靠评估alpha粒子约束问题。项目拟利用粒子导心程序ORBIT和全轨道程序SPIRAL针对CFETR开展数值模拟。首先在仅有纵场线圈时，通过不同模型对比评估alpha粒子约束和损失通道，然后对考虑铁素体钢插件和包层后的复杂磁场波纹扰动进行数值重建，利用全轨道程序SPIRAL评估粒子和波纹场回旋共振效应对alpha损失的贡献，评估聚变alpha粒子损失和第一壁沉积分布。根据聚变堆第一壁部件对alpha粒子损失的热负荷容忍度，给出CFETR磁体、铁素体钢插件和氚增殖包层综合产生的磁场波纹设计准则。该研究对聚变堆设计和高能离子物理研究有重要意义。

本项目对CFETR聚变alpha粒子的磁场波纹损失进行了详细的数值模拟，考虑TF线圈引起的环向场波纹扰动和其他类型的扰动在单独引入和叠加效应下的输运评估。项目利用导心轨道跟踪程序ORBIT和全轨道程序ISSDE评估了聚变堆概念上的alpha粒子波纹损失，以及TF波纹叠加NTM后的粒子损失和剖面再分布。结果显示，项目采用的数值模型可以非常精确的重建CFETR环向磁场波纹扰动，稳态运行模式下的粒子损失和局域热斑高于混杂运行模型，主要原因是其安全因子剖面整体稍高，波纹随机扩散的粒子扰动位移步长正比于安全因子的1.5次方，alpha粒子更容易进入波纹损失区，损失在第一壁附近引起的局域热斑约0.13-0.19MW/m^3，在装置设计安全阈值内。项目研究得出无碰撞波纹随机扩散是CFETR上alpha粒子主要的波纹损失通道，TF波纹扰动叠加NTM扰动后的alpha粒子损失并没有随着NTM幅度增大而增大，叠加效应可忽略。全轨道程序计算的波纹损失和导心轨道程序计算结果一致，说明磁场波纹扰动下的alpha粒子拉莫尔回旋半径效应不显著，忽略粒子回旋运动可加快计算速度并能可靠的评估alpha粒子损失。项目发展了一种在磁场扰动情况下方便、快速标记高能粒子相空间随机区域的方法，即相空间粒子对矢量旋转法，该模型可准确的给出高能粒子共振岛和较大扰动幅度下共振岛重叠后的随机区域分布，并基于该随机区域分布修正粒子密度分布剖面。基于该简化模型，项目研究显示NTM扰动会引起通行粒子剖面的再分布，但不会引起捕获粒子剖面再分布，因此磁场波纹叠加NTM扰动下的alpha粒子损失不会随着NTM扰动幅度增大而增大。项目参与开发了国产程序ISSDE，该程序基于Stratonovich SDE和FP⽅程的随机等价性，通过对Stratonovich SDE 的求解得到每个粒⼦的动⼒学轨迹，并在EAST参数下进行了全轨道粒子跟踪验证。在聚变堆参数下，ISSDE程序进行了磁场波纹扰动下的alpha粒子损失计算，结果和导心程序ORBIT一致。项目研究成果对聚变堆alpha粒子约束评估有可用于常规应用的流程方法实践，有助于加深高能粒子物理深入理解。