等离子体边界层

能源工程术语

等离子体边界层，能源工程术语。

内容简介

磁约束聚变装置是当前世界上研究受控热核聚变的主要装置，装置里位于芯部等离子体与第一壁之间的边界等离子体，由于和第一壁直接相互作用，因此等离子体中杂质的存在不可避免。根据实验条件及装置使用材料的不同，等离子体中杂质种类在从低Z杂质到高Z杂质一个很宽的范围内分布。边界层中的杂质离子会因为受到各种力的作用进入到芯部，从而污染芯部等离子体，杂质所产生的辐射功率损失使等离子体的温度降低，最终可导致等离子体约束时间减小并可导致等离子体熄灭。可见，边界等离子体行为将直接影响磁约束聚变装置及未来聚变堆的排灰、排热和杂质控制，边界层杂质问题的研究是托卡马克类磁约束聚变装置研究的前沿课题。

由于磁约束聚变研究中边界等离子体输运过程的复杂性，其主要的理论研究手段是借助大型数值模拟程序来进行边界等离子体（偏滤器物理）的研究。EMC3-EIREN是当今世界上唯一的研究三维边界等离子体和杂质输运的并行程序包，它采用了蒙特卡罗模拟方法来求解流体模型的输运方程组。该大型模拟程序包以聚变装置的真实边界几何位形为计算区间，紧密结合了边界层具体物理参数，因而模拟结果能充分体现具体装置边缘等离子体的特性，是当前tokamak和仿星器边界输运研究的重要工具。

边界等离子体输运的模拟程序简介

边界等离子体输运模拟的重要意义

SOL等离子体输运是磁约束聚变研究中一个非常重要的研究领域，其主要研究手段一边界等离子体和偏滤器的数值模拟，已成为国际聚变等离子体模拟研究中的重点和难点。

边界等离子体是整个聚变等离子体的重要组成部分，边界等离子体位于芯部等离子体与第一壁之间，其行为既对芯部等离子体产生影响同时又影响等离子体与第一壁的相互作用。边界等离子体和偏滤器等离子体行为将直接影响未来聚变堆的排灰、排热和杂质控制，因而其行为研究已成为当前聚变研究的前沿性和复杂性课题。

国际上一些托卡马克实验装置分别对边界等离子体和偏滤器等离子体进行了大量实验研究。在实验研究的同时，边界等离子体的理论和数值模拟研究不断深入开展。边界层等离子体模拟的复杂性包括，二维或三维问题（极向，径向和环向），复杂的计算区域，多粒子种类，极向、径向和环向输运的巨大差异，复杂的原子分子过程，复杂的等离子体与第一壁相互作用，复杂的边界条件等。由于边界等离子体模拟的复杂性，所以边界等离子体和偏滤器等离子体的模拟研究都依赖于大型数值模拟程序，国际上一些聚变实验室先后开发了一些大型数值模拟程序，例如，二维流体模拟程序有B2，UEDGE，EDGE2D等，三维模拟程序有EIRENE，DEGAS，EMC3_EIRENE等。

进行边界层等离子体和偏滤器等离子体数值模拟的意义在于，预测聚变实验装置边界等离子体中的物理现象，指导边界等离子体和偏滤器等离子体物理实验；未来聚变装置偏滤器和排灰系统的物理设计：通过模拟边界层等离子体实验解释边界等离子体实验中所发生的物理现象；研究边界等离子体的输运特性、原子分子过程等，从理论上认识边界等离子体特性。

边界等离子体模拟程序

当前开展边界等离子体和杂质输运模拟研究的数值工具包括二维边界等离子体数值模拟程序SOLPS5.0（包括B2.5-EIRENE，DG，CARRE等，其中，B2.5程序为国际三大边界等离子体流体模拟程序，B2.5，EDGE2D，UEDGE，之一：EIRENE为国际两大边界等离于体动力学Monte-Carlo程序，EIRENE和DEGAS-2之一）和大型三维边界等离子体模拟程序EMC3-EIRENEl40（该程序已应用在德国马普等离子体所、尤利希研究中心、类国GA的DIII-D托克马克和普林斯顿的球环托克马克等研究部门）。SOLPS5.0是在国际上被反复校核的大型模拟程序，具有广泛的应用基础，本项目的模拟研究将利用模拟程序中更复杂更实际的物理模型。并采用更为准确的研究方法和技术路线，使本项目的研究结果有比较高的准确性和可信度。模拟研究紧密结合了托卡马克边界层具体情况和具体参数，因而模拟结果能充分体现托卡马克边界等离子体的特性。SOLPS5.0包括了较复杂真实的物理模型.其中的等离子体流体方程包括了质量、动量和能量方程并考虑电流、电场、漂移（包括ExB漂移）、粒子之间相互摩擦、原子分子过程以及等离子体与第一壁相互作用等，所模拟的粒子种类可同时包括等离子体、中性粒子和杂质成份。适过改变模拟程序的径向输运系数、边界条件或改变几何结构参数（包括偏滤器靶板、第一壁和限制器的具体几何结构参数）以及芯等离子体参数可模拟研究各种情况下边界层等离子体和中性粒子以及杂质粒于输运过程和输运特性、原子分子过程、粒子和热排除、杂质控制和各种效应（例如气体喷射和杂质注入效应等）。中性粒子的模拟研究可根据不同条件采用流体模型或动力学模型，模拟研究所利用的原子分子数据来源于相关原子分子数据库。

EMC3_EIRENE是当今世界上唯一的研究三维边界等离子体和杂质输运的并行程序包。使用了复杂真实的物理模型，其中的等离子体流体方程包括了质量、动量和能量方程、粒子之间相互摩擦、原于分子过程以及等离于体与第一壁相互作用等。所模拟的粒子种类可同时包括等离子体、中性粒子和杂质成份。通过改变模拟程序的垂直输运系数、边界条件或改变几何结构参数（包括偏滤器和限制器靶板的具体几何结构参数）以及芯部等离子体参数可模拟研究各种情况下边界层等离子体和中性粒子以及杂质粒子输运过程和输运特性、原子分子过程、粒子和热排除、杂质控制和各种效应（例如气体喷射和杂质注入效应等）。中性粒子的模拟研究可根据不同条件采用流体模型或动力学模型，模拟研究所利用的原子分于数据来源于国际通用的原子分子数据库。该大型模拟程序包以聚变装置的真实边界几何位形为计算区间。紧密结合了边界层具体物理参数。因而模拟结果能充分体现具体装置边缘等离子体的特性。该程序开创了仿星器W7-X、W7-AS、LHD等装置上边界物理研究的先河，解释、预盲了W7-AS、LHD装置上很多重要的边界物理现象，绝大部分边界实验结景都和理论计算相符合，因而能够给边界物理实验提供标定。当前EMC3_EIRENE已经推广应用到国际上主要的托卡马克装置上。如ITER、JET、ASDEX-Upgrade、DIIL-D和TEXTOR。

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