[发明专利]一种用于分析托卡马克中高能量粒子约束性能的测试粒子模拟方法

说明书

本发明公开了一种用于分析托卡马克中高能量粒子约束性能的测试粒子模拟方法，属于磁约束受控核聚变领域。首先，根据输入的平衡磁场、等离子体剖面等参数，划分二维三角网格；然后，在相空间中载入高能量粒子信息，包括位置、速度等信息；接着，根据全轨道方程与导心轨道方程，求解粒子随时间的演化，其中，碰撞模块采用蒙特卡洛方法；最后输出全部粒子的信息，经后处理模块处理后输出粒子分布、能流、电流等信息。本发明能模拟出高能量粒子的输运、损失等物理过程，计算效率高，数值稳定性强，是一种稳定、高效的数值模拟方法。

技术领域

本发明属于磁约束受控核聚变领域，涉及磁约束受控核聚变领域托卡马克装置放电的数值模拟，特别涉及一种用于分析托卡马克中高能量粒子约束性能的测试粒子模拟方法。

背景技术

随着人类社会的高速发展，能源问题成为全人类面临的重要难题。传统化石能源日益枯竭，在使用过程中会产生大量有毒有害物质；而风能、水能、太阳能等新型能源由于其对地理环境等因素的苛刻要求，并不能很好地替代化石能源。相比之下，受控核聚变能因其原料来源广泛、环境友好、固有安全性高等诸多优势被人们认为是人类理想的新能源。托卡马克装置被认为是最有希望解决人类能源问题的磁约束聚变装置，其内部由于发生氘氚聚变或因辅助加热(如中性束注入、离子回旋共振加热)会产生大量的高能量粒子，这些高能量粒子可以加热等离子体，促进聚变反应的持续进行。但是，如果这些高能量粒子没有被很好地约束，它们将会打到托卡马克器壁上，对装置造成严重的损害。在未来聚变反应堆中(如中国聚变工程实验堆CFETR)，高能量粒子将占有很大的份额，实验操作不当会造成巨大的经济损失，因此在设计阶段对托卡马克内部高能量粒子的约束性能进行数值模拟显得尤为重要。

对高能量粒子的数值研究有多种方法，而测试粒子方法因其模型相对简单、物理图像清晰，在高能量粒子的模拟研究中扮演重要的角色。本发明的粒子推动部分采用导心轨道方程与全轨道方程，通过相空间坐标的相互转化，实现两种轨道的混合计算。为更加准确完整地描述高能量粒子在托卡马克装置内部的运动特征，本模型同时包含芯部主等离子体区与边界等离子体区。本发明可以载入实验和解析模拟得到的多种扰动电磁场，并实现多场耦合；通过划分三角形网格使电磁场的空间分布更易被表达为任意函数，并实现由磁面坐标到几何坐标的转化。本发明可以结合实际实验装置，快速准确完整地描述高能量粒子的输运与损失，计算效率高，数值稳定性强，是一种精确高速的数值模拟方法。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供一种能够结合实际实验装置快速分析高能量粒子在不同三维扰动场存在条件下的测试粒子模拟方法。

本发明的技术方案：

一种用于分析托卡马克中高能量粒子约束性能的测试粒子模拟方法，包括以下步骤：

首先，对平衡拟合程序(EFIT)生成的平衡文件gfile进行重构，匹配生成非结构化三角形网格，建立三维柱坐标系(R,ζ,Z)，得到平衡磁场。其中，R、ζ和Z分别是径向、环向和轴向坐标。然后，根据所考虑的高能量粒子来源，载入粒子初始相空间分布信息，并对粒子进行编号。载入初始磁场B(R,ζ,Z,t₀)与初始电场E(R,ζ,Z,t₀)信息，其中，t₀为初始时刻。接着，根据粒子的全轨道方程与导心轨道方程，考虑高能量粒子与背景等离子体之间的库仑碰撞，计算每一时刻粒子信息并对其进行诊断；若粒子超出最外磁面，则判定该粒子为损失粒子，记录其编号、位置信息、速度信息、损失时刻等信息，该粒子直接进入后处理模块；若粒子没有成为损失粒子，则继续推动粒子进入下一时刻t+Δt。对于随时间演化的扰动电磁场，在t+Δt时刻重新加载扰动电磁场，在更新后的电磁场中，重复上述步骤直至时间t达到设定的最大计算时间T，输出约束粒子与损失粒子的全部信息。最后，经过后处理过程，输出粒子分布、粒子能量、壁面热负荷、电流等信息。