【摘 要】
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为了确定EAST与CFETR高约束模式(H-mode)中等离子体芯部重杂质钨输运的主要机理,本文首次系统地分析并模拟了 EAST混合模式运行(hybrid mode scenario)和完全非感应模式运行(fully non-inductive mode scenario)以及CFETR第一阶段(phaseⅠ)完全非感应稳态(steady-state)模式运行中的芯部钨杂质输运的行为特征。在EAS
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为了确定EAST与CFETR高约束模式(H-mode)中等离子体芯部重杂质钨输运的主要机理,本文首次系统地分析并模拟了 EAST混合模式运行(hybrid mode scenario)和完全非感应模式运行(fully non-inductive mode scenario)以及CFETR第一阶段(phaseⅠ)完全非感应稳态(steady-state)模式运行中的芯部钨杂质输运的行为特征。在EAST混合模式运行放电中,芯部重杂质的浓度往往很高,并且经常观察到重杂质的芯部累积。研究发现,当背景等离子体芯部的环向旋转速度和密度较大时,特别容易发生钨杂质的芯部积累。我们通过使用新经典输运程序NEO和湍流输运程序TGLF模拟了芯部钨杂质的输运,该模拟较好地重现了实验观测的结果,并确定了新经典向内的对流速度是钨杂质芯部积累的主要原因之一,这种钨杂质新经典向内的对流速度是由背景等离子体的高的芯部密度和密度峰值与大的芯部的环向旋转速度引起的。在EAST完全非感应模式运行放电中,芯部钨杂质的浓度通常较低,并且没有发生明显的钨杂质的芯部积累。通过分析背景等离子体参数和模拟芯部钨杂质的输运,阐明了 EAST完全非感应模式运行放电中无钨杂质芯部积累的原因。结果表明,与混合模式运行相反,在这种完全非感应模式运行中,芯部电子温度以及电子温度峰值通常较高,而背景等离子体芯部的环向旋转和密度峰值较小。模拟的芯部钨杂质的湍流扩散系数足够大,足以抵消湍流和新经典对流速度之和,以至于零粒子通量的钨杂质的芯部径向密度分布不会达到很高的峰值。其原因之一在于芯部的环向旋转主要贡献的并作为可以有效抑制湍流手段的E × B剪切率非常小,因此,背景等离子体的湍流可能非常强,受背景等离子体影响的痕量极限的钨杂质的湍流输运就会很强。此外,在轴(on-axis)的电子回旋共振加热(ECRH)在重杂质的芯部控制中也起到了关键的作用,其主要物理机制为在轴的ECRH可以提高芯部电子温度以及电子温度梯度来增加了捕获电子模(TEM)的线性增长率从而增大钨杂质的湍流扩散系数。在CFETR第一阶段的完全非感应稳态模式运行中,我们使用自洽的集成理论模拟分析芯部钨的输运,结果表明,湍流输运相比于新经典输运来说占据主导地位,以至于钨的积累可能不会发生。通过扫描作为芯部钨杂质输运边界条件的台基顶部的钨的浓度,分析了此理论模拟的不同边界浓度的自洽的钨的密度剖面以及由钨杂质带来的辐射对CFETR的影响。研究发现,随着钨的浓度的增加,等离子体性能略有下降,但总的辐射功率会迅速增加,穿过最外层闭合磁面分界线(separatrix)的功率会逐渐减小,维持高约束模式运行将越发艰难。
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