2020-02-29杂质聚集XD

2020-03-03 本文已影响0人锅炉工的自我修养

XD非冠装效应增加辐射已于脱靶

Zhongping Chen 2020 NF DIII-D

小结：

1. 从已有的理论，及解释分析问题
1. 对每个网格的数据进行操作
1. 辐射定量化分析
1. 抓住核心问题
1. 明确物理概念。
6.工作重心转移 $\longrightarrow$ 数据分析。

Abstract

DIII-D实验证明，XD可以增加碳的线性辐射，相同的脱靶态，只需要SD一半的上游密度
在 $T_e=20~30eV$ 由于XD显著增加辐射体积，由于非冠装效应显著增加碳发射
机制包括碳杂质的平行和垂直输运，以及与D中性粒子的电荷交换
模拟数据支持的物理模型表明，极小的场线夹角在XD中起到相当重要的作用

场线夹角的影响: field angle 是不是pitch角
靶板和磁场线的夹角是怎么计算的？

pitch做什么处理？
qc，和qs的关系？
2D 磁场线与靶板的夹角是什么？

Introduction

XD的优势
- 降低靶板热流
- 低密度脱靶
- 相同的脱靶状态，更高的上游电子温度
- 靠近靶板稳定的脱靶前。抑制上游迁移
为什么XD辐射更多的功率？非冠状效应，辐射效率提高一个量级
主要原因是磁场角度
模拟结果+物理机制

什么是no-coronal effect
如何提高脱靶前的稳定性？（mechanism）

simulation setup

image.png

SD为horizontal target 和之前的结果对比(未修改位型)

下偏滤器限制XD在径向方向，SOL宽度10mm;SD流扩张不明显，因此没有限制

同样，SOL 15mm，SD无限制

不同的SOL宽度，探究不同的影响
固定芯部 $D^+$ 密度
化学溅射0.01，物理建设RB，6WM，输运系数0.15,0.5，粘滞0.2

粘滞系数怎么设置
h-mode

$\lambda_q=1.8mm$

$\lambda_q的$ 计算方式？

无漂移

能够加上漂移

eirene过程包括中性和原子过程。电离，复合，电荷交换，辐射
再循环100%

所有粒子？还是只有 $D^{+}$
pump在外偏滤器
相同位置，两个抽气口的影响。

image.png

局部增加分辨率技术

Detachement conditions

脱靶的多种定义
脱靶不是在真个靶板同时发生的
使用温度定义的脱靶<2eV

温度定义脱靶

选择0.3mm flux tube。

只考虑一个 flux tube

脱靶阈值——XD3.4e19 vs. SD 6.3e19 6.5e19SD20
两种偏滤器位型存在着完全不同的全脱靶状态:SD脱靶电子温度1.6eV和3.8eV;XD脱靶在SOL附近电子温度<4eV。远SOL依然attach温度峰值 $T_e$ =16eV。flux tube=6.5mm

描述不同的脱靶状态

image.png

SD接近全脱靶，XD部分脱靶（满足功率要求时）

部分脱靶更有利于将中性限制在PFR以内

部分脱靶，如何将中性离子限制在PFR区域？

场线夹角，表现出中的变化，对比XD巨大的径向和极向变化。
小的夹角可以增加辐射，易于脱靶。

理论基础？

XD在SP附近有很小的夹角，但是在far SOL有更大的夹角，表现出显著的温度梯度（SP脱靶——far SOL attached）

XD靶板出场线夹角的非均匀分布。
通过温度筛选网格，查看辐射，碳杂质占比，辐射占比。

垂直靶板温度梯度是SD的两倍。

更高的温度梯度，驱动更多地热流。

三维空间近似满足两点模型，XD更低的场线夹角，产生更大的温度梯度

确认SFD 是否有更大的温度梯度

关注分析两种位型的脱靶flux tube,解释为什么XD低密度脱靶
碳线性辐射在 $\lambda_q$ 内31%的能流进入XD，SD只有6%.

选中 $\lambda_q$ 所在的flux tube

SD极度依赖中性氘辐射和电离冷却。因此需要更高的D密度实现脱靶。

SD 不能受益于no-coronal effect，更加依赖D辐射

image.png

辐射功率低于1MW.m-2。除了打击点附近。
高的辐射区域解释80%的碳辐射，仅占5%的辐射体积

高辐射区域的辐射功率占比 28定律。辐射数值定量化

XD有更大的辐射体积。高碳辐射区域有着电子温度变化的限制。如果内外偏滤器温度变化相同，XD辐射只会径向扩张，极向压缩，保持总辐射体积不变化。

解释辐射区域为什么之中在靶板附近，小夹角，no-coronal效应。还是碳聚集。

必须了解什么是no-coronal effect

XD更大的辐射体积，扩展了温度的变化范围，导致更强的碳辐射。

FX导致SP温度很低，显著增加了碳辐射，很小的碳辐射区域，却占据了极大的总辐射量
较大的温度变化范围，使最有利于碳辐射的温度出现，此温度范围的辐射占比多少可以定量计算。

可以操作每一网格的所有数据，只要知道算法。

只考虑 $\lambda_q$ 流管的数据

no-coronal effects

在日冕图片中，碳的平均电离价态只是电子温度的函数，因为碳杂质有无限的生命周期，背景等离子体保证不经过与原子的电荷交换达到平衡电离状态。
碳发射取决 $P_{rad}/n_en_z,n_z$ 为总的碳杂质密度，也是日冕辐射的温度参数。

理想状态，温度的单值函数。
低价碳是辐射的主力？计算不同价态的辐射总量。

非日冕效应引入其他参数

驱动系统拜托日冕平衡的两个因素：杂质输运和电荷交换

这两个因素都让碳的价态平行倾向于更低的价态——有更强的线性辐射

更多的低价碳，更多的辐射。

导致系统处于非日冕平衡时，碳杂质的线性辐射损失显著增加。
碳的<Z>和<发射>都可以作为定量测量非日冕效应的度量标准——通过展示碳寿命与D中性密度的依赖关系
ADAS数据库表明，非日冕效应在之指定温度范围内，会两只增加碳发射

image.png
计算碳的发射和Z每个计算网格。2eV为温度变化单位，用总的碳辐射作为权重因子

计算权重，不太发明白

结果表明，碳杂质经历强烈的非日冕效应。这可以解释巨大的径向体积梯度（Fig3）

杂质输运

日冕图片，需要无限的背景等离子体，换句话说是无线的碳杂质寿命。
真实偏滤器碳的寿命是有限的，当达到平衡价态时会退出等离子体。
更短的 $\tau$ ，碳处于低价态（给定的温度），并且有更强的线性辐射
$n_e\tau$ ——碳发射在 $T_e=15eV$ 附近会增加一个量级，这在偏滤器靶板附近非常重要，因为这里输运非常强烈
平行输运和垂直输运受到磁场集合的显著影响，特别是磁场的夹角。
对于碳杂质的平行输运。D的再循环过程起到重要作用，在挡板附近，因为中性再循环引入SOL的粒子源
粒子流，必须输运粒子背朝靶板，以保证粒子守恒。

产生反流的原因，详细查看。

背景流，导致摩擦力主导的碳粒子。清除碳杂质原理等离子体到靶板
靶板附近的场线夹角能够显著影响输运过程。
相同的传播距离，中性到达更远的上游沿着更水平的场线（小角度）因此扩展电离源到更远的上游。导致更大的背景等离子体流，导致与碳杂质更强的摩擦力

解释为什么摩擦力更强

XD有更高的氘电离源，（更高的中性比率）和更强的碳平行输运。和靶板附近小角度是一致的。
垂直输运也需要考虑场线夹角
存在指向挡板（溅射源）的极向碳杂质密度梯度
反常输运导致碳朝向上游的扩散。
极端情况下，场线垂直挡板。扩散为完全平行输运，没有径向输运。

垂直情况下，没有径向输运的影响

评估碳周期的简单模型，定量比较两种位型的输运

平行输运

$\tau_{||}=\int_{0}^{L} dl/v_{||}$
$v_{||}$ 是碳粒子流平行速度。 $l$ 为场线距离， $L$ 为连接长度

垂直扩散

$\tau_{\perp}=(\Delta z)^{2}/D_{\perp}$
$\Delta z$ 为每一个网格的垂直距靶板

平均存活时间

$\tau^{-1}=\tau^{-1}_{||}+\tau_{\perp}^{-1}$
计算每一个网格，然后加上温度bins的权重

结果表明，XD有更前的杂质输运是碳的寿命减少

image.png
注意到总的 $\tau$ 单调增加从靶板到上游的每一个网格，但是平均时间并非与温度轴一致，因为径向温度变化从每一个流管中，特别是XD

电荷交换影响

电荷交换复合出现在中性转移过程朝向低价态
$D^{0}+C^{I+}\rightarrow D^{+}+C^{(i-1)+}$
使系统远离日冕平衡
$n_D/n_e$ 作为电荷交换度的指标
ADAS数据库表明，在电荷交换增加碳发射一个量级，在20~40eV,当 $n_D/n_{e} ~ 10^{-31}$ 对SD的影响较小，因为SD20~40eV远离靶板（ $D^{0}再循环源的主导区域$ ）， $n_D/n_e$ 的比值很低
在XD中电子温度梯度很大，导致 $T_e$ 接近再循环源。

温度梯度大，靶板附近有较低的温度。

模拟表明，XD可以增加 $n_D/n_e到10^{-3}$ 在 $T_e=20~30eV$ ,显著增加碳发射
XD低密度脱靶使 $D^{0}$ 有更长的平均自由程，是一个额外的优势

低密度，更长的自由程。更高的密度。

Discussion

简单模型比较碳发射，每一网格的 $n_e,T_e,n_D$ 计算 $\tau$ ，将四个参数应用到ADAS数据库，插值碳发射率(包括非日冕效应，输运和电荷交换)
使用相同的加权平均。结果与 $T_e<30eV$ 的XD一致，强烈的非日冕效应，XD的碳发射比SD高一个量级。
由于发生流反转和 $v_{||}$ 可能改变符号，在更高的温度（指向上游，而不是靶板）
公式1可能会导致负值，对于负的 $\tau$ 我们使用日冕平衡，对于更高的温度区域，远离靶板，造成 $T_e>30eV$ 下降
稳定的反馈，XD具有独特的分离特性：非日冕效应的影响和倾角的关系，表明，脱靶前向上游移动，非日冕效应的影响会随着倾角的增加而减小，导致碳线辐射萎缩。这个负向反馈会导致脱靶在靶板附近的稳定。降低芯部约束的降低

倾角与碳杂质聚集的关系。还是no-cornal效应的影响。

Conclusion

非日冕效应，增加碳发射一个量级，增加靶板附近的辐射体积，导致脱靶阈值降低，新的物理发现:
倾角是决定非日冕效应程度的主要参数。XD靶板附近小的倾角，产生一个非日冕效应的优良区域

- 相同的效应可以通过倾斜靶板实现（垂直靶板）？？？

是靶板倾角的影响，还是低极向场区域的影响？
no-coronal能够解释碳杂质聚集？
no-cornal来解释碳辐射的增加是否足够？

小的入射角，ITER极向入射∠ $~30^{\circ}$ ,边界和垂直靶板。和水平的靶板相比，场线夹角降低一半。
下一步将探究倾角足够小，将在下一步工作中探究
角度扫描，将会探究是否存在一个角度，非日冕效应关闭。

在高功率下，这些效应显著提高，高输入功率，导致挡板附近叫较高的温度梯度，减小磁场倾角

为什么在高功率显著增加？SFD的的上游密度会更高，对应的下游参数会更接近脱靶。
是否需要feedback,含碳feedback不可行。

12 MW的模拟表明XD和SD的显著不同，XD的优势在高功率更加显著。（56%的降低脱靶阈值）
计划进行全参数扫描在输入功率。
XD在高功率下的优势

小倾角的结合特征，会导致可以显著控制功率。保护靶板远离交换事件的影响（ELMs）。

ITER使用鱼尾偏滤器和偏滤器倾斜。利用更低倾角。

倾角具体指什么

XD在稳定的脱靶状态，辐射主导热沉积。
flaring(XD定义的特性)，提供稳定的反馈控制，允许辐射区域，远离靶板一定距离，抑制脱靶前项上游移动
因此，瓦片的好的结构导致变得不可见对等离子体和场线。
关注燃烧等离子体的高功率表现。

2020-02-29杂质聚集XD

XD非冠装效应增加辐射已于脱靶

小结：

Abstract

Introduction

simulation setup

Detachement conditions

必须了解什么是no-coronal effect

可以操作每一网格的所有数据，只要知道算法。

no-coronal effects

驱动系统拜托日冕平衡的两个因素：杂质输运和电荷交换

杂质输运

电荷交换影响

Discussion

Conclusion

- 相同的效应可以通过倾斜靶板实现（垂直靶板）？？？

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