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为了实现EAST高参数稳态运行的科学目标,EAST上计划建立4MW的中性束注入系统,在EAST4MW中性束注入系统建造的过程中对其进行较为全面的数值模拟是至关重要的。本论文的任务是模拟分析不同束参数和背景等离子体参数对束加热和电流驱动的影响。
本文系统阐述了中性束加热与电流驱动的基本原理,详细叙述了中性束注入数值模拟程序的计算方法和目前的数值模拟现状,根据快离子慢化的Fokker-Plank方程的求解方法的不同,本文用解析求解的NBEAMS程序和蒙特卡罗求解的NI-JBEAM程序,系统模拟了EAST NBI在不同束参数和不同的背景等离子体参数下的加热、电流驱动以及束损失,并用相关的中性束注入加热和中性束驱动电流的理论对模拟的结果给出了较为合理的解释。
程序NBEAMS和NUBEAM对EAST4MW中性束注入的数值模拟结果表明:当注入束的能量低于80keV时,束在背景离子上的功率沉积总是高于束在背景电子上的功率沉积,因此能达到EAST NBI主要用来直接加热背景离子的目的;对于EAST上的中性束注入装置,由于实际工程的限制,在典型的EAST等离子体参数下最好的注入角度为19.5度,此时具有较好的加热和电流驱动的效果;当中性束注入角为19.5度时,如果束的穿透损失不存在时,可以适当的提高注入的中性束的能量,并降低背景等离子体的密度来提高束的加热和电流驱动效率;当束的穿透损失存在时,此时束的能量不能太大,可以通过增大背景等离子体的密度来减少束的穿透损失;同时如果要得到较好的加热效果,应选择具有较大的边界梯度的密度剖面;背景等离子体的温度对束的加热效率没有太大的影响,但是可以通过提高等离子体的温度和减低背景密度来得到芯部反向的束驱动电流剖面,达到较好的约束等离子体的目的。