EAST装置上边界局域模爆发时的刮削层内能流分布的时间演化的研究

The present and future magnetic confinement fusion devices will be operated in H-mode.However, the MHD instabilities, edge-localized modes (ELMs), also happen with H-mode. ELMs can lead to the large amount of energy flux flow out of the separatrix and go to the first wall and divertor targets, which will affect the steady-state operation of the fusion facilities. Therefore, we need to understand the physics of ELMs and the time evolution of the heat flux during one ELM. This proposal plans to use numerical method of MHD turbulence to self-consistently simulate the crashes of ELMs in the realistic tokamaks (single null and double null geometry), especially in EAST ELMy H-mode discharges. The kinetic modification of the parallel thermal transport in scrape off layer (SOL) will be considered in this model. The time evolution of the heat loads during ELMs and the dependency of its width in SOL with the macroscopic parameters, such as total current et al., will be studied in the proposal. The goal of this project is to develop a robust ELM model to understand and explain the edge experiments in EAST.

目前和未来的磁约束核聚变装置都要在高约束模的状态下约束等离子体。高约束模产生的同时也会产生了边界局域模，导致装置中约束的能量大量流出最外闭合磁面，从而打击到装置内壁以及偏滤器上，影响装置的稳定运行。因此需要对其产生以及导致的能流分布的变化的机制有清晰的了解。本项目利用双流体数值模拟的方法，在考虑刮削层内的平行热输运的动力学修正条件下，研究真实托卡马克位形下（单/双零点），特别是EAST装置的边界局域模的形成及其导致的热流的三维分布的自洽的时间演化过程,研究边界局域模导致的热负载分布的性质和对等离子体放电宏观参数，例如电流的依赖关系。最终目的是能够用本项目开发的模型参与到EAST装置的边界实验现象的理解和解释。

目前和未来的磁约束核聚变装置运行的高约束模会产生边界局域模，导致装置中约束的能量大量流出最外闭合磁面，从而打击到装置内壁以及偏滤器上，影响装置的稳定运行。本项目利用BOUT++程序对其产生以及导致的能流分布的变化的机制进行了模拟研究。首先是将BOUT++中的六场双流体模型和模块进行了完善，在原本基于圆截面位形上的模型发展到DIII-D和EAST的下单零点位形，解决了该程序在具有X点这样的奇点的几何位形下计算边界局域模的爆发的数值模拟问题，实现了单X点位形下的边界局域模及其湍流的模拟功能。利用该改进后的程序计算了DIII-D上的I类局域模的崩塌，得到了与实验诊断结果一致的密度剖面的崩塌宽度和深度，并再现了偏滤器靶板上的热流增长过程，与诊断结果对比，得到了较为一致的热流分布宽度。在此基础上开展了对EAST，DIII-D和C-Mod上H模下的偏滤器靶板热负载的模拟，研究偏滤器靶板热负载的分布宽度与等离子体电流之间的关系。模拟得到了与欧美多装置的实验定标率（Eich’s Scaling）基本一致的结果，即刮削层热流分布宽度与电流，或极向磁场成反比。该项目的研究成果验证了BOUT++程序的可靠性，可以用来为未来装置，如ITER和CFETR等托卡马克装置上偏滤器热负荷问题的预测，并为从物理上探索解决高热负荷问题提供了可靠的数值工具。

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