電漿邊界層

磁約束聚變裝置是當前世界上研究受控熱核聚變的主要裝置，裝置里位於芯部電漿與第一壁之間的邊界電漿，由於和第一壁直接相互作用，因此電漿中雜質的存在不可避免。根據實驗條件及裝置使用材料的不同，電漿中雜質種類在從低Z雜質到高Z雜質一個很寬的範圍內分布。

基本介紹

• 中文名：電漿邊界層
• 外文名：Plasma boundary layer
• 套用學科：能源工程
• 範疇：工程技術
• 又稱：邊界層電漿
• 涉及：磁約束聚變裝置

概述

磁約束聚變裝置是當前世界上研究受控熱核聚變的主要裝置，裝置里位於芯部電漿與第一壁之間的邊界電漿，由於和第一壁直接相互作用，因此電漿中雜質的存在不可避免。根據實驗條件及裝置使用材料的不同，電漿中雜質種類在從低Z雜質到高Z雜質一個很寬的範圍內分布。邊界層中的雜質離子會因為受到各種力的作用進入到芯部，從而污染芯部電漿，雜質所產生的輻射功率損失使電漿的溫度降低，最終可導致電漿約束時間減小並可導致電漿熄滅。可見，邊界電漿行為將直接影響磁約束聚變裝置及未來聚變堆的排灰、排熱和雜質控制，邊界層雜質問題的研究是托卡馬克類磁約束聚變裝置研究的前沿課題。

由於磁約束聚變研究中邊界電漿輸運過程的複雜性，其主要的理論研究手段是藉助大型數值模擬程式來進行邊界電漿（偏濾器物理）的研究。EMC3-EIREN是當今世界上唯一的研究三維邊界電漿和雜質輸運的並行程式包，它採用了蒙特卡羅模擬方法來求解流體模型的輸運方程組。該大型模擬程式包以聚變裝置的真實邊界幾何位形為計算區間，緊密結合了邊界層具體物理參數，因而模擬結果能充分體現具體裝置邊緣電漿的特性，是當前tokamak和仿星器邊界輸運研究的重要工具。

邊界電漿輸運的模擬程式簡介

邊界電漿輸運模擬的重要意義

SOL電漿輸運是磁約束聚變研究中一個非常重要的研究領域，其主要研究手段一邊界電漿和偏濾器的數值模擬，已成為國際聚變電漿模擬研究中的重點和難點。

邊界電漿是整個聚變電漿的重要組成部分，邊界電漿位於芯部電漿與第一壁之間，其行為既對芯部電漿產生影響同時又影響電漿與第一壁的相互作用。邊界電漿和偏濾器電漿行為將直接影響未來聚變堆的排灰、排熱和雜質控制，因而其行為研究已成為當前聚變研究的前沿性和複雜性課題。

國際上一些托卡馬克實驗裝置分別對邊界電漿和偏濾器電漿進行了大量實驗研究。在實驗研究的同時，邊界電漿的理論和數值模擬研究不斷深入開展。邊界層電漿模擬的複雜性包括，二維或三維問題（極向，徑向和環向），複雜的計算區域，多粒子種類，極向、徑向和環向輸運的巨大差異，複雜的原子分子過程，複雜的電漿與第一壁相互作用，複雜的邊界條件等。由於邊界電漿模擬的複雜性，所以邊界電漿和偏濾器電漿的模擬研究都依賴於大型數值模擬程式，國際上一些聚變實驗室先後開發了一些大型數值模擬程式，例如，二維流體模擬程式有B2，UEDGE，EDGE2D等，三維模擬程式有EIRENE，DEGAS，EMC3_EIRENE等。

進行邊界層電漿和偏濾器電漿數值模擬的意義在於，預測聚變實驗裝置邊界電漿中的物理現象，指導邊界電漿和偏濾器電漿物理實驗；未來聚變裝置偏濾器和排灰系統的物理設計：通過模擬邊界層電漿實驗解釋邊界電漿實驗中所發生的物理現象；研究邊界電漿的輸運特性、原子分子過程等，從理論上認識邊界電漿特性。

邊界電漿模擬程式EMC3_EIRENE簡介

當前開展邊界電漿和雜質輸運模擬研究的數值工具包括二維邊界電漿數值模擬程式SOLPS5.0（包括B2.5-EIRENE，DG，CARRE等，其中，B2.5程式為國際三大邊界電漿流體模擬程式，B2.5，EDGE2D，UEDGE，之一：EIRENE為國際兩大邊界等離於體動力學Monte-Carlo程式，EIRENE和DEGAS-2之一）和大型三維邊界電漿模擬程式EMC3-EIRENEl40（該程式已套用在德國馬普電漿所、尤利希研究中心、類國GA的DIII-D托克馬克和普林斯頓的球環托克馬克等研究部門）。SOLPS5.0是在國際上被反覆校核的大型模擬程式，具有廣泛的套用基礎，本項目的模擬研究將利用模擬程式中更複雜更實際的物理模型。並採用更為準確的研究方法和技術路線，使本項目的研究結果有比較高的準確性和可信度。模擬研究緊密結合了托卡馬克邊界層具體情況和具體參數，因而模擬結果能充分體現托卡馬克邊界電漿的特性。SOLPS5.0包括了較複雜真實的物理模型.其中的電漿流體方程包括了質量、動量和能量方程並考慮電流、電場、漂移（包括ExB漂移）、粒子之間相互摩擦、原子分子過程以及電漿與第一壁相互作用等，所模擬的粒子種類可同時包括電漿、中性粒子和雜質成份。適過改變模擬程式的徑向輸運係數、邊界條件或改變幾何結構參數（包括偏濾器靶板、第一壁和限制器的具體幾何結構參數）以及芯電漿參數可模擬研究各種情況下邊界層電漿和中性粒子以及雜質粒於輸運過程和輸運特性、原子分子過程、粒子和熱排除、雜質控制和各種效應（例如氣體噴射和雜質注入效應等）。中性粒子的模擬研究可根據不同條件採用流體模型或動力學模型，模擬研究所利用的原子分子數據來源於相關原子分子資料庫。

EMC3_EIRENE是當今世界上唯一的研究三維邊界電漿和雜質輸運的並行程式包。使用了複雜真實的物理模型，其中的電漿流體方程包括了質量、動量和能量方程、粒子之間相互摩擦、原於分子過程以及等離於體與第一壁相互作用等。所模擬的粒子種類可同時包括電漿、中性粒子和雜質成份。通過改變模擬程式的垂直輸運係數、邊界條件或改變幾何結構參數（包括偏濾器和限制器靶板的具體幾何結構參數）以及芯部電漿參數可模擬研究各種情況下邊界層電漿和中性粒子以及雜質粒子輸運過程和輸運特性、原子分子過程、粒子和熱排除、雜質控制和各種效應（例如氣體噴射和雜質注入效應等）。中性粒子的模擬研究可根據不同條件採用流體模型或動力學模型，模擬研究所利用的原子分於數據來源於國際通用的原子分子資料庫。該大型模擬程式包以聚變裝置的真實邊界幾何位形為計算區間。緊密結合了邊界層具體物理參數。因而模擬結果能充分體現具體裝置邊緣電漿的特性。該程式開創了仿星器W7-X、W7-AS、LHD等裝置上邊界物理研究的先河，解釋、預盲了W7-AS、LHD裝置上很多重要的邊界物理現象，絕大部分邊界實驗結景都和理論計算相符合，因而能夠給邊界物理實驗提供標定。當前EMC3_EIRENE已經推廣套用到國際上主要的托卡馬克裝置上。如ITER、JET、ASDEX-Upgrade、DIIL-D和TEXTOR。