纯欧姆加热的托卡马克启动过程的动理学模拟研究

Tokamak start-up starts with cold neutral gas, adopts inductive electric field in the toroidal direction to accelerate free electron in a background gas, collide with neutral gas to generate plasmas, which are confined by controlling the current in each poloidal coil and realize plasma current ramping up. Since it’s a multi-scale and rapid evolution process, plasma parameters are low, making it difficult for experimental diagnostic tools to distinguish the behaviors of the plasma, it’s necessary to employ the kinetic simulation method to describe the particle behaviors accurately during the tokamak start-up process. In this research, a self-consistent Particle-in-cell/Monte Carlo Collision model will be developed. The effects of stray magnetic field and its profile on particle motion will be studied, as well as the impurity particle species and content both on the electric field and driving power required to start the discharge, to reveal the interaction between impurities and plasmas, improve the confinement and stability of the plasmas, and provide experimental reference and theoretical basis for experimental researches.

托卡马克启动是从冷的中性气体开始，利用环向感应电场加热背景气体中的自由电子，使之与中性气体发生碰撞，产生等离子体；通过控制各极向场线圈约束等离子体，实现等离子体电流爬升的过程。该过程是一个多尺度、快速的演化过程，等离子体的各项参数较低，使得实验上的诊断工具难以分辨等离子体的行为，必须采用动理学数值模拟的方法才能准确描述托卡马克启动过程中各粒子的行为。本研究将建立自洽的粒子耦合蒙特卡洛碰撞模型，研究杂散场的大小和分布对启动放电中粒子运动的影响，研究杂质粒子种类、含量对启动放电所需电场、驱动功率的影响，揭示杂质与等离子体相互作用的物理机制，提高等离子体的约束性和稳定性，为实验研究提供放电参考和理论依据。

托卡马克启动过程是一个多尺度、快速的演化过程，等离子体的各项参数较低，使得实验上的诊断工具难以分辨等离子体的行为，因此必须采用动理学数值模拟的方法才能准确描述托卡马克启动过程中各粒子的行为。本研究建立了自洽的粒子耦合蒙特卡洛碰撞模型, 包含粒子的漂移运动、杂质粒子运动、碰撞反应、等离子体诊断等模块。利用该模型研究了铍杂质及其不同含量对托卡马克启动放电所需电场、加热功率的影响，揭示了杂质与等离子体相互作用的物理机制，为实验研究提供放电参考和理论依据。该模型还有望被用于边界等离子体的研究，模型中研发了表面过程模块，能够研究等离子体与壁相互作用。此外还将程序扩展到低温等离子体放电领域，研究了容性耦合等离子体和微放电的击穿演化过程和加热模式的转化，对低温等离子体的工业应用具有重要的参考价值。本项目还研发了0维整体模型，研究了纯欧姆加热和电子漂移注入辅助托卡马克启动放电，并与J-TEXT装置上的实验数据进行比较，验证了该模型的有效性和电子漂移注入的可行性，为实验研究提供了重要的支撑。