欢迎来到公海电脑版胡地团队在受控核聚变破裂防护研究方面取得系列进展

作者: 时间:2020-12-30 点击数:

近日,欢迎来到公海电脑版等离子体物理专业助理教授胡地与合作者们在托卡马克装置中的破裂防护方面的研究取得重要进展,相关系列工作发表在磁约束聚变领域顶级期刊Nuclear Fusion与Physics of Plamsas上。该系列工作为北京航空航天大学欢迎来到公海电脑版助理教授胡地与法国替代能源与原子能机构(CEA)的E. Nardon研究员以及德国普朗克等离子体物理研究院(IPP)的M. Hoelzl研究员等国际知名专家共同合作的结果。

托卡马克位形是目前最有希望实现商用聚变能源的磁约束聚变位形。在托卡马克装置运行过程中,由于等离子体自发的不稳定性或者外界因素的影响,托卡马克等离子体可能会出现所谓的破裂现象。在这一过程中等离子体中存储的能量会快速、局域地沉积到装置面等离子体材料上,对其造成严重的损伤,甚至危及装置的持续运行。因此,对破裂事件的防护与缓解机制的研究是稳定、可持续的聚变能源能否实现重中之重。胡地博士采用理论与数值模拟并重的方法开发了研究基于大量粒子注入实现破裂防护的大规模数值模拟模块,并与合作者在这方面展开了系统的研究。研究发现注入粒子会导致在安全因子为有理数的磁面上产生螺旋形的冷却结构并导致相应的螺旋对称电流密度扰动,从而导致与该磁面共振的电流驱动磁流体不稳定性解稳。失稳的宏观磁流体模式又会反过来强化注入粒子的输运,增加注入粒子的穿深,有助于注入粒子均匀地分布在等离子体中从而提高破裂防护的效率。

胡地博士与合作者们进而发现,利用上述注入粒子与磁流体模式的相互作用,托卡马克破裂防护系统可以控制破裂防护的具体过程。如可以先注入冷却效果较弱的氢同位素,使得等离子体密度上升,有利于防止破裂后逃逸电子电流的产生;然后注入大量杂质粒子以防护等离子体热流对装置壁的损害。

针对破裂热猝灭期间的热流防护效率问题。胡地博士发现多环向位置同时粒子注入能够在较为合理的参数区间内有效地提高注入杂质粒子辐射功率密度的均匀性,从而避免辐射能流在装置壁上局域的沉积效果,显著提高破裂防护效率。同时,多位置同时诸如下注入粒子与磁流体模式的相互作用也体现出与单一位置注入时不同的对称特征。近日,上述成果以“Radiation asymmetry and MHD destabilization during the thermal quench after impurity Shattered Pellet Injection”为题发表在Nuclear Fusion上,相关系列工作也已于今年分别发表在Nuclear Fusion与Physics of Plasmas上。该系列研究对完善托卡马克等离子体中的破裂防护机制、保证托卡马克装置长期、稳定运行有重要意义。相关工作得到了国家自然科学基金委支持。


主要合作者简介:

E. Nardon,法国替代能源与原子能机构(CEA)研究员,ITER破裂防护任务组科学负责人

M. Hoelzl,德国普朗克等离子体物理研究院(IPP)研究员,磁流体与快粒子研究组副主任

G.T.A. Huijsmans,荷兰埃因霍温理工大学教授,ITER科学专家顾问会会员

M. Lehnen,ITER组织,ITER破裂缓解防护任务组主席


论文链接:

https://doi.org/10.1088/1741-4326/abcbcb

https://doi.org/10.1088/1741-4326/abb749

https://doi.org/10.1063/1.5133099

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