大連理工大學(xué)物理學(xué)院孫繼忠教授課題組與國(guó)際聚變能組織（ITER）科學(xué)部門負(fù)責(zé)人Alberto Loarte博士、ITER鎢偏濾器和壁與等離子體相互作用部門Xavier Bonnin博士、中科院等離子體物理研究所胡建生研究員團(tuán)隊(duì)合作在國(guó)際聚變界頂級(jí)期刊《Nuclear Fusion》上發(fā)表了研究論文《Numerical simulation of Li-pellet injection experiments for ELM-pacing in EAST》。該研究通過創(chuàng)新性地構(gòu)建同時(shí)包含彈丸消融與等離子體輸運(yùn)過程的耦合模型，針對(duì)固體顆粒彈丸進(jìn)入到聚變等離子體后與等離子體相互作用的物理過程開展了數(shù)值模擬研究。模擬結(jié)果系統(tǒng)性地解釋了實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的注入鋰彈丸激發(fā)邊緣局域模(ELMs)的不確定性現(xiàn)象。該研究對(duì)于進(jìn)一步闡釋彈丸激發(fā)ELMs的物理機(jī)制具有重要意義。
在磁約束聚變裝置托卡馬克運(yùn)行時(shí)，ELMs會(huì)周期性地排出大量粒子和能量，這一現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重破壞等離子體約束性能，并大幅縮短裝置器壁壽命。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，使用高頻彈丸注入調(diào)控ELMs頻率、進(jìn)而降低ELMs幅值的方法已成為控制ELMs的重要研究方向。EAST實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)注入速度一定時(shí)，觸發(fā)ELMs的彈丸尺寸閾值存在不確定性，ELMs的觸發(fā)成功率隨著彈丸尺寸的減小和注入頻率的增大呈現(xiàn)復(fù)雜變化。這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象急需通過開展相應(yīng)的模擬工作對(duì)其進(jìn)行解釋。此外，過去關(guān)于該領(lǐng)域的模擬研究多著重于彈丸的消融過程或者采用假設(shè)的消融源分布來討論粒子輸運(yùn)，沒有將二者有機(jī)地結(jié)合起來，因此都不能給出自洽的模擬結(jié)果。
圖1 彈丸粒子空間分布和EAST裝置上CCD攝像機(jī)照片的對(duì)比圖
針對(duì)以上難點(diǎn)，該研究克服了耦合模擬的技術(shù)難點(diǎn)，將尺寸、頻率等彈丸參數(shù)與等離子體壓強(qiáng)剖面直接聯(lián)系起來，首次構(gòu)建了同時(shí)包含彈丸消融與等離子體輸運(yùn)兩個(gè)物理過程的耦合模型，并針對(duì)固體顆粒彈丸進(jìn)入到聚變等離子體后的彈丸燒蝕和雜質(zhì)輸運(yùn)過程開展數(shù)值模擬。該研究主要得到如下結(jié)論：(1)各價(jià)態(tài)粒子的分布與含時(shí)演化；(2)彈丸注入觸發(fā)ELMs的參數(shù)閾值——擾動(dòng)后的臺(tái)基區(qū)壓強(qiáng)與未擾動(dòng)時(shí)的比值達(dá)到1.8~2.4；(3)對(duì)彈丸注入觸發(fā)ELMs的概率性行為的合理解釋——在單次注入多個(gè)小尺寸彈丸的情況下，臺(tái)基區(qū)壓強(qiáng)也可以得到明顯提升；(4)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的彈丸觸發(fā)ELMs效率的模擬結(jié)果。
圖2 彈丸進(jìn)入等離子體后的燒蝕過程。按時(shí)間順序先左上到右下排列，模擬等離子體區(qū)域?yàn)闇\藍(lán)色背景，虛線表示分形線（芯部和刮削層兩區(qū)域的分界線）的位置。
《Nuclear Fusion》是國(guó)際公認(rèn)的聚變領(lǐng)域權(quán)威期刊，涵蓋了與受控?zé)岷司圩兿嚓P(guān)的理論、實(shí)驗(yàn)研究等廣泛內(nèi)容。
該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(11575039, 11505022, 11625524)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFE0301100, 2017YFA0402500)的資助。
第一作者：高放(博士研究生，大連理工大學(xué)物理學(xué)院)
通訊作者：孫繼忠(教授，大連理工大學(xué)物理學(xué)院)
主要合作者：A. Loarte (ITER總部，科學(xué)部負(fù)責(zé)人)、X. Bonnin (ITER總部，計(jì)算物理學(xué)家)、胡建生(中科院等離子體物理研究所副所長(zhǎng)，杰青)、孫震(中科院等離子體物理研究所，現(xiàn)普林斯頓大學(xué)PPPL國(guó)家實(shí)驗(yàn)室客座研究人員)
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