平衡位形 ITER-like (10 MA) ITER-like (8 MA) Reversed shear (7.3 MA) Super-X (10 MA) Snowflake (10 MA)
pre-sawtooth(1?ra)3 Sawtooth broadened0.5?(1?(ra)2)2
0.1%?0.1%
0.7%?0.26%
0.2%?0.14% 2%?0.45%
0.6%?0.2% 5.6%?0.7%
0.1%?0.1% 2.5%?0.5%
0.4%?0.2% 1.4%?0.4%
在分布模型(1?ra)3和等离子体电流为10 MA的ITER-like平衡位形中，alpha粒子在一个慢化时间内损失份额在0.1%左右，当发生alpha粒子再分布后，损失份额达到0.7%，计算结果表明，alpha粒子的波纹损失对其分布情况敏感，即当锯齿模引起alpha粒子向等离子体边界输运时，更多的粒子处在波纹损失区和第一轨道损失区而损失掉。在等离子体电流为8 MA时，波纹损失份额有所增大。在本文算例中的正剪切位形和较峰化的alpha粒子分布模型(1?ra)3下，波纹损失份额在0.4%以下，锯齿模引起快离子再分布时，损失份额增大。在较低等离子电流的反磁剪切位形时，alpha粒子的波纹损失较为显著，在
0.5?(1?(ra)2)2分布模型下损失份额达到了5.6%，根据ITER的相关研究工作，当alpha粒子总的损失份额达到5%左右，就会对装置第一壁造成严重损伤，损失份额超过25%，就无法完成氘氚点火目标。下面以算例中损失份额最大的反磁剪切位形为例详细说明alpha粒子的波纹损失情况，图4.6所示是在
0.5?(1?(ra)2)2粒子分布模型下，alpha粒子损失份额随时间的演化过程，可以看出初始轨道损失大约占2%，经过碰撞和波纹效应的时间累积，在一个慢化时间后，轨道损失损失份额达到了5.6%。图4.7所示是损失alpha粒子的能量分布，其能量范围在3-3.5 MeV，为达到较高的自加热效率，希望alpha粒子损失前，把绝大部分的能量传递给等离子体。从损失粒子能量分布可以看出，相当份额
alpha粒子非常迅速的逃出磁场约束。图4.8是损失alpha粒子的极向角分布，多数的粒子损失在外中平面以下的位置，有一定的局域性，对装置稳态运行造成隐患。
图 4.6 CFETR反磁剪切位形下一个能量慢化时间内alpha粒子波纹损失随
时间的演化,单位是一个通行时间.
Fig. 4.6 Evolution of alpha particle ripple loss over one thermalization time for the reversed shear case in the unit of toroidal transit time at the magnetic axis on
CFETR.
图 4.7 CFETR反磁剪切位形下损失alpha粒子的能量分布.
Fig. 4.7 Energy distribution of lost alpha particle for the reversed shear case
on CFETR.
图 4.8 CFETR损失alpha粒子的极向角分布.
Fig. 4.8 Polodial distribution of lost alpha particle for the reversed shear
case on CFETR.
4.5 计算结果的讨论
由于EAST装置中快离子的来源主要是辅助加热引入的，为较全面考察快离子的波纹损失情况，本章基于目前CFETR装置工程设计参数，结合其放电运行下的等离子体物理参数，针对氘氚聚变反应产生3.5 MeV的alpha粒子波纹损失进行了初步计算。粒子分布模型考察了较峰化的(1?ra)3分布情况，还有存在锯齿模不稳定性下alpha粒子再分布的0.5?(1?(ra)2)2分布模型。计算结果表明，在ITER-like平衡位形下，alpha粒子波纹损失份额在0.1-0.2%，发生锯齿模引起的再分布时，损失份额增大。在较新的平衡位形super-X和snowflake中，损失份额稍大。比正剪切位形引起显著波纹损失的是反磁剪切平衡位形的情况，在
0.5?(1?(ra)2)2分布的alpha粒子波纹损失算例中，局域性的alpha粒子损失份额达到了5.6%。
总得来说，正剪切位形下的alpha粒子波纹损失可以忽略，反剪切位形下损失较为显著，这不仅降低了自加热效率，也对装置的稳态、安全运行造成很大的隐患。
CFETR-I 波纹损失计算201405-郝保龙
