先进钨偏滤器模拟研究

Advanced W divertors in EAST tokamak and Chinese Fusion Energineering Test Reactor (CFETR) will be studied by the simulations. The study by the simulation includes, the effect of plasma density on the operation regime of divertor and shielding of W impurity in EAST with higher heating power; the effect of the radiative divertor produced by Ne or Ar impurity seeding on the production and the distribution of W impurity; W impurity transport in SOL/divertor plasmas with L-mode and H-mode; the production mechanism of W impurity; the distribution and control of W impurity in the core plasmas. The studies can provide theoretical basis for the control of heat flux and impurity in the advanced W divertor and guidance on the experimental plan and the experimental shots in EAST with higher heating power and longer pulse operation. The study on the production mechanism, the distribution and control of W impurity in CFETR also will be carried out by the simulation. The studies play an important role in solving scientific problems of ITER divertor and divertor design in CFETR.

以国家大科学工程EAST托卡马克和国家聚变工程实验反应堆CFETR为研究对象，利用数值模拟研究平台开展先进钨偏滤器的模拟研究。模拟研究主要内容包括，EAST高加热功率条件下等离子体密度对偏滤器运行机制和钨杂质屏蔽的影响；Ne、Ar杂质注入所产生的辐射偏滤器对钨杂质产生与分布的影响；L-模和H-模条件下边界层和偏滤器等离子体中钨杂质输运；不同条件下EAST先进钨偏滤器钨杂质产生机制、芯部杂质密度分布与钨杂质控制等。本项目研究可为EAST先进钨偏滤器热流和杂质控制提供理论基础，为EAST高功率加热和长脉冲运行实验计划和实验研究提供参考性指导意见。通过对国家聚变工程实验堆CFETR钨偏滤器的模拟研究聚变堆条件下钨杂质的产生机制和钨杂质浓度分布特性及钨杂质的控制。本项目研究对于解决ITER偏滤器科学问题，对于国家聚变工程实验反应堆偏滤器设计都具有重要意义。

目前包括ITER在内的一些核聚变装置利用钨作为偏滤器靶板材料。为解决ITER偏滤器的科学问题，贡献于减小ITER偏滤器运行风险，国际上一些聚变实验装置已开始了有关钨偏滤器的研究，钨偏滤器研究在国内外广泛开展。本项目进行先进钨偏滤器的模拟研究，对于解决钨偏滤器的科学问题具有重要意义。本项目模拟研究利用数值模拟平台中的主要数值模拟工具包括SOLPS-ITER,DIVIMP和BOUT++程序等。SOLPS-ITER是由ITER国际组织发布的大型托卡马克边界层和偏滤器数值模拟程序，本项目利用EAST托卡马克实验测量数据进行了SOLPS-ITER模型适用性的研究工作，为广泛利用SOLPS-ITER和深入开展先进钨偏滤器模拟打下了良好基础。SOLPS-ITER模拟中等离子体径向输运系数具有不确定性，而边界等离子体三维湍流输运模拟程序BOUT++能计算等离子体径向输运系数。为更好发挥和拓展SOLPS-ITER在模拟研究中的作用，实现了SOLPS-ITER/BOUT++耦合与自洽模拟。利用DIVIMP/SOLPS模拟了EAST托卡马克钨偏滤器H-模非脱靶和部分脱靶条件下钨杂质的空间分布并进行了比较。利用SOLPS-ITER模拟EAST钨偏滤器实验等离子体钨杂质输运并将钨离子发射谱与实验测量进行了比较，显示了SOLPS-ITER在模拟钨等重杂质输运方面的合理性。Ar杂质注入CFETR偏滤器脱靶产生过程的模拟为研究Ar杂质注入对钨杂质分布影响奠定了基础。EAST装置Ar杂质注入和辐射偏滤器条件下钨杂质分布模拟研究显示Ar杂质注入对钨杂质控制作用。EAST第一壁和偏滤器由不同的材料构成，EAST钨偏滤器模拟过程中除考虑钨及所有电荷态离子种类外模拟的粒子种类还包括钼和碳杂质所有电荷态离子，进一步扩展了所模拟的粒子种类。本项目部分成果发表在国际核聚变研究顶级学术期刊Nucl.Fusion以及国际等离子体物理研究核心期刊Phys.Plasmas,在重要国际会议上进行了学术交流。