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边界局域模对EAST钨偏滤器靶板腐蚀程度的数值模拟研究

黄艳 孙继忠 桑超峰 丁芳 王德真

边界局域模对EAST钨偏滤器靶板腐蚀程度的数值模拟研究

黄艳, 孙继忠, 桑超峰, 丁芳, 王德真
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  • 在高约束模式下发生的边界局域模会释放高能量等离子体,其中主要部分会辐照到面积相对较小的偏滤器靶板,偏滤器钨靶板发生热腐蚀的可能性最大. 本文建立了包括了熔化、汽化和热辐射效应的一维热传导模型,采用数值模拟的方法,研究了EAST未来偏滤器钨靶板在边界局域模作用下的热腐蚀程度. 根据现有的边界局域模热流数据和多种未来可能的高能量边界局域模热流数据,计算了钨靶板的表面温度分布. 结果显示当前的第一类边界局域模作用在钨靶板上,在高约束模式运行时间取32 s 情况下,靶板表面温度从350 K增加到373 K,表明在当前的参数范围内,只要避免其他更严重的瞬时事件如破裂的发生,边界局域模还不会带来严重的威胁;如果边界局域模的能量增加到接近未来托卡马克边界局域模的能量范围1 MJ/m2,沉积时间为600 μs,表面最大熔化厚度将达到6.8–6.9 μm.
    • 基金项目: 国际热核聚变实验堆(ITER)计划专项(批准号:2013GB109001,2013GB107003)、国家自然科学基金(批准号:11275042,11205198)和中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:DUT13ZD102,DUT12RC(3)53)资助的课题.
    [1]

    Jiang M, Xu G S, Xiao C, Guo H Y, Wan B N, Wang H Q, Wang L, Zhang L, Naulin V, Gan K F, Wang D S, Duan Y M, Yan N, Liu P, Ding S Y, Zhang W, Liu S C 2012 Plasma Phys. Control. Fusion 54 095003

    [2]

    Xu W, Wan B N, Xie J K 2003 Acta Phys. Sin. 52 1970 (in Chinese) [徐伟, 万宝年, 谢纪康 2003 物理学报 52 1970]

    [3]

    Li M H, Ding B J, Kong E H, Zhang L, Zhang X J, Qian J P, Yan N, Han X F, San J F, Liu F K, Wang M, Xu H D, Wan B N 2011 Chin. Phys. B 20 125202

    [4]

    Wan B N for the EAST and HT-7 Teams and International Collaborators 2009 Nucl. Fusion 49 104011

    [5]

    Gao J M, Li W, Xia Z W, Pan Y D, Lu J, Yi P, Liu Y 2013 Chin. Phys. B 22 015202

    [6]

    Sizyuk V, Hassanein A 2010 Nucl. Fusion 50 115004

    [7]

    Sizyuk V, Hassanein A 2011 J. Nucl. Mater. 415 S881

    [8]

    Hassanein A, Sizyuk T, Sizyuk V, Miloshevsky G 2010 Fusion Eng. Des. 85 1331

    [9]

    Federici G 2003 Plasma Phys. Control. Fusion 45 1523

    [10]

    Semak V V, Damkroger B, Kempka S 1999 J. Phys. D: Appl. Phys. 32 1819

    [11]

    Bazylev B, Wuerz H 2002 J. Nucl. Mater. 307 69

    [12]

    Carslaw H W, Jaeger J C 1959 Conduction of Heat in Solids (Oxford: Clarendon)

    [13]

    Behrisch R 2010 J. Surf. Invest-X-Ray+ 4 549

    [14]

    Yuan Y, Greuner H, Böswirth B, Krieger K, Luo G N, Xu H Y, Fu B Q, Li M, Liu W 2013 J. Nucl. Mater. 433 523

    [15]

    Wang L, Xu G S, Guo H Y, Wang H Q, Liu S C, Gan K F, Gong X Z, Liang Y, Yan N, Chen L, Liu J B, Zhang W, Chen R, Shao L M, Xiong H, Qian J P, Shen B, Liu G J, Ding R, Zhang X J, Qin C M, Ding S, Xiang L Y, Hu G H, Wu Z W, Luo G N, Chen J L, Hu L Q, Gao X, Wan B N, Li J G, the EAST Team 2013 Nucl. Fusion 53 073028

    [16]

    Hill D N 1997 J. Nucl. Mater. 241 182

    [17]

    Miloshevsky G V, Hassanein A 2010 Nucl. Fusion 50 115005

    [18]

    Kirk A, Liu Y Q, Chapman I T, Harrison J, Nardon E, Scannell R, Thornton A J, the MAST Team 2013 Plasma Phys. Control. Fusion 55 045007

    [19]

    Xiao W W, Diamond P H, Zou X L, Dong J Q, Ding X T, Yao L H, Feng B B, Chen C Y, Zhong M, Xu M, Yuan B S, Rhee T, Kwon J M, Shi Z B, Rao J, Lei G J, Cao J Y, Zhou J, Huang M, YU D L, Huang Y, Zhao K J, Cui Z Y, Song X M, Gao Y D, Zhang Y P, Cheng J, Han X Y, Zhou Y, Dong Y B, Ji X Q, Yang Q W, Liu Y, Yan L W, Duan X R, Liu Y, the HL-2A Team 2012 Nucl. Fusion 52 114027

    [20]

    Sang C F, Sun J Z, Wang D Z 2011 J. Nucl. Mater. 415 S204

  • [1]

    Jiang M, Xu G S, Xiao C, Guo H Y, Wan B N, Wang H Q, Wang L, Zhang L, Naulin V, Gan K F, Wang D S, Duan Y M, Yan N, Liu P, Ding S Y, Zhang W, Liu S C 2012 Plasma Phys. Control. Fusion 54 095003

    [2]

    Xu W, Wan B N, Xie J K 2003 Acta Phys. Sin. 52 1970 (in Chinese) [徐伟, 万宝年, 谢纪康 2003 物理学报 52 1970]

    [3]

    Li M H, Ding B J, Kong E H, Zhang L, Zhang X J, Qian J P, Yan N, Han X F, San J F, Liu F K, Wang M, Xu H D, Wan B N 2011 Chin. Phys. B 20 125202

    [4]

    Wan B N for the EAST and HT-7 Teams and International Collaborators 2009 Nucl. Fusion 49 104011

    [5]

    Gao J M, Li W, Xia Z W, Pan Y D, Lu J, Yi P, Liu Y 2013 Chin. Phys. B 22 015202

    [6]

    Sizyuk V, Hassanein A 2010 Nucl. Fusion 50 115004

    [7]

    Sizyuk V, Hassanein A 2011 J. Nucl. Mater. 415 S881

    [8]

    Hassanein A, Sizyuk T, Sizyuk V, Miloshevsky G 2010 Fusion Eng. Des. 85 1331

    [9]

    Federici G 2003 Plasma Phys. Control. Fusion 45 1523

    [10]

    Semak V V, Damkroger B, Kempka S 1999 J. Phys. D: Appl. Phys. 32 1819

    [11]

    Bazylev B, Wuerz H 2002 J. Nucl. Mater. 307 69

    [12]

    Carslaw H W, Jaeger J C 1959 Conduction of Heat in Solids (Oxford: Clarendon)

    [13]

    Behrisch R 2010 J. Surf. Invest-X-Ray+ 4 549

    [14]

    Yuan Y, Greuner H, Böswirth B, Krieger K, Luo G N, Xu H Y, Fu B Q, Li M, Liu W 2013 J. Nucl. Mater. 433 523

    [15]

    Wang L, Xu G S, Guo H Y, Wang H Q, Liu S C, Gan K F, Gong X Z, Liang Y, Yan N, Chen L, Liu J B, Zhang W, Chen R, Shao L M, Xiong H, Qian J P, Shen B, Liu G J, Ding R, Zhang X J, Qin C M, Ding S, Xiang L Y, Hu G H, Wu Z W, Luo G N, Chen J L, Hu L Q, Gao X, Wan B N, Li J G, the EAST Team 2013 Nucl. Fusion 53 073028

    [16]

    Hill D N 1997 J. Nucl. Mater. 241 182

    [17]

    Miloshevsky G V, Hassanein A 2010 Nucl. Fusion 50 115005

    [18]

    Kirk A, Liu Y Q, Chapman I T, Harrison J, Nardon E, Scannell R, Thornton A J, the MAST Team 2013 Plasma Phys. Control. Fusion 55 045007

    [19]

    Xiao W W, Diamond P H, Zou X L, Dong J Q, Ding X T, Yao L H, Feng B B, Chen C Y, Zhong M, Xu M, Yuan B S, Rhee T, Kwon J M, Shi Z B, Rao J, Lei G J, Cao J Y, Zhou J, Huang M, YU D L, Huang Y, Zhao K J, Cui Z Y, Song X M, Gao Y D, Zhang Y P, Cheng J, Han X Y, Zhou Y, Dong Y B, Ji X Q, Yang Q W, Liu Y, Yan L W, Duan X R, Liu Y, the HL-2A Team 2012 Nucl. Fusion 52 114027

    [20]

    Sang C F, Sun J Z, Wang D Z 2011 J. Nucl. Mater. 415 S204

  • [1] 黄艳, 孙继忠, 桑超峰, 胡万鹏, 王德真. 边界局域模引起钨偏滤器靶板侵蚀和形貌变化的数值模拟研究. 物理学报, 2017, 66(3): 035201. doi: 10.7498/aps.66.035201
    [2] 杜海龙, 桑超峰, 王亮, 孙继忠, 刘少承, 汪惠乾, 张凌, 郭后扬, 王德真. 东方超环托卡马克高约束模式边界等离子体输运数值模拟研究. 物理学报, 2013, 62(24): 245206. doi: 10.7498/aps.62.245206
    [3] 王文浩, 俞昌旋, 闻一之, 许宇鸿, 凌必利, 宋梅, 万宝年. HT-7超导托卡马克边界等离子体参量及其涨落的实验研究. 物理学报, 2001, 50(8): 1521-1527. doi: 10.7498/aps.50.1521
    [4] 徐 伟, 万宝年, 谢纪康. HT-6M托卡马克装置杂质输运. 物理学报, 2003, 52(8): 1970-1978. doi: 10.7498/aps.52.1970
    [5] 龚学余, 彭晓炜, 谢安平, 刘文艳. 托卡马克等离子体不同运行模式下的电子回旋波电流驱动. 物理学报, 2006, 55(3): 1307-1314. doi: 10.7498/aps.55.1307
    [6] 徐强, 高翔, 单家方, 胡立群, 赵君煜. HT-7托卡马克大功率低混杂波电流驱动的实验研究. 物理学报, 2009, 58(12): 8448-8453. doi: 10.7498/aps.58.8448
    [7] 卢洪伟, 胡立群, 林士耀, 钟国强, 周瑞杰, 张继宗. HT-7托卡马克等离子体slide-away放电研究. 物理学报, 2010, 59(8): 5596-5601. doi: 10.7498/aps.59.5596
    [8] 洪斌斌, 陈少永, 唐昌建, 张新军, 胡有俊. 托卡马克中电子回旋波与低杂波协同驱动的物理研究. 物理学报, 2012, 61(11): 115207. doi: 10.7498/aps.61.115207
    [9] 张重阳, 刘阿娣, 李弘, 陈志鹏, 李斌, 杨州军, 周楚, 谢锦林, 兰涛, 刘万东, 庄革, 俞昌旋. 双极化频率调制微波反射计在J-TEXT托卡马克上的应用. 物理学报, 2014, 63(12): 125204. doi: 10.7498/aps.63.125204
    [10] 王欣欣, 张颖, 周洪波, 王金龙. 铌对钨中氦行为影响的第一性原理研究. 物理学报, 2014, 63(4): 046103. doi: 10.7498/aps.63.046103
    [11] 郭洪燕, 夏敏, 燕青芝, 郭立平, 陈济红, 葛昌纯. 中能高浓度氦离子注入对钨微观结构的影响. 物理学报, 2016, 65(7): 077803. doi: 10.7498/aps.65.077803
    [12] 周良付, 张婧, 何文豪, 王栋, 苏雪, 杨冬燕, 李玉红. 氦泡在bcc钨中晶界处成核长大的分子动力学模拟. 物理学报, 2020, 69(4): 046103. doi: 10.7498/aps.69.20191069
    [13] 马玉田, 刘俊标, 韩立, 田利丰, 王学聪, 孟祥敏, 肖善曲, 王波. 氦离子显微镜对钨中氦行为的实验研究. 物理学报, 2019, 68(4): 040702. doi: 10.7498/aps.68.20181864
    [14] 郭龙婷, 孙继忠, 黄艳, 刘升光, 王德真. 低能氢粒子沿不同角度轰击钨(001)表面的反射概率及入射深度分布的分子动力学研究. 物理学报, 2013, 62(22): 227901. doi: 10.7498/aps.62.227901
    [15] 卢洪伟, 查学军, 胡立群, 林士耀, 周瑞杰, 罗家融, 钟方川. HT-7托卡马克slide-away放电充气对等离子体行为的影响. 物理学报, 2012, 61(7): 075202. doi: 10.7498/aps.61.075202
    [16] 石秉仁. 托卡马克低混杂波电流驱动实验中低混杂波传播的解析分析. 物理学报, 2000, 49(12): 2394-2398. doi: 10.7498/aps.49.2394
    [17] 王文浩, 俞昌旋, 闻一之, 许宇鸿, 凌必利, 宋梅, 万宝年. HT-7超导托卡马克边缘涨落谱特征及湍流输运研究. 物理学报, 2001, 50(10): 1956-1963. doi: 10.7498/aps.50.1956
    [18] 张凯旺, 钟建新. 缺陷对单壁碳纳米管熔化与预熔化的影响. 物理学报, 2008, 57(6): 3679-3683. doi: 10.7498/aps.57.3679
    [19] 章扬忠, 谢涛. 轴对称环状静电模的漂移波湍流参量激发理论研究. 物理学报, 2014, 63(3): 035202. doi: 10.7498/aps.63.035202
    [20] 张先梅, 万宝年, 阮怀林, 吴振伟. HT-7托卡马克等离子体欧姆放电时电子热扩散系数的研究. 物理学报, 2001, 50(4): 715-720. doi: 10.7498/aps.50.715
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-08-15
  • 修回日期:  2013-10-08
  • 刊出日期:  2014-02-05

边界局域模对EAST钨偏滤器靶板腐蚀程度的数值模拟研究

  • 1. 大连理工大学, 物理与光电工程学院, 大连 116024;
  • 2. 大连工业大学, 信息科学与工程学院, 大连 116034;
  • 3. 中国科学院等离子体物理研究所, 合肥 230031
    基金项目: 

    国际热核聚变实验堆(ITER)计划专项(批准号:2013GB109001,2013GB107003)、国家自然科学基金(批准号:11275042,11205198)和中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:DUT13ZD102,DUT12RC(3)53)资助的课题.

摘要: 在高约束模式下发生的边界局域模会释放高能量等离子体,其中主要部分会辐照到面积相对较小的偏滤器靶板,偏滤器钨靶板发生热腐蚀的可能性最大. 本文建立了包括了熔化、汽化和热辐射效应的一维热传导模型,采用数值模拟的方法,研究了EAST未来偏滤器钨靶板在边界局域模作用下的热腐蚀程度. 根据现有的边界局域模热流数据和多种未来可能的高能量边界局域模热流数据,计算了钨靶板的表面温度分布. 结果显示当前的第一类边界局域模作用在钨靶板上,在高约束模式运行时间取32 s 情况下,靶板表面温度从350 K增加到373 K,表明在当前的参数范围内,只要避免其他更严重的瞬时事件如破裂的发生,边界局域模还不会带来严重的威胁;如果边界局域模的能量增加到接近未来托卡马克边界局域模的能量范围1 MJ/m2,沉积时间为600 μs,表面最大熔化厚度将达到6.8–6.9 μm.

English Abstract

参考文献 (20)

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