HL-3装置边界局域模侵蚀靶板的三维磁流体模拟研究

需求的背景和应用场景

在核聚变研究领域，边缘局域模（ELM）是一种在托卡马克装置边缘等离子体中出现的周期性爆发现象，对装置的运行稳定性和偏滤器靶板的寿命构成严重威胁。特别是在如HL-3这样的先进托卡马克装置中，ELM导致的靶板侵蚀问题尤为突出，严重影响了装置的长时间稳定运行和性能提升。目前，对于ELM的研究大多局限于局部模拟或简化模型，缺乏芯边一体化的全域模拟，难以准确评估其对靶板侵蚀的全面影响。因此，为了满足对ELM影响下靶板侵蚀机制的深入理解，以及对无/小ELM运行模式探索的需求，本技术需求提出开展HL-3装置边界局域模侵蚀靶板的三维磁流体模拟研究。这一研究旨在通过高精度、全维度的模拟，为优化装置运行策略、延长靶板服役寿命提供科学依据，进而推动核聚变能源的开发与应用。

要解决的关键技术问题

1. ELM非线性模拟研究：需构建高精度的三维磁流体动力学模型，模拟ELM影响下台基结构的动态演化过程。这要求模型能够准确反映等离子体在复杂磁场结构中的运动行为，包括湍流、输运和重组等关键物理过程，以揭示ELM对台基结构稳定性的影响机制。
2. ELM侵蚀靶板研究：在ELM非线性模拟的基础上，进一步分析上游台基结构变化对下游偏滤器靶板侵蚀的具体影响。需开发精细的物理溅射和化学侵蚀计算模块，量化ELM爆发期间这两种侵蚀机制的各自占比，为靶板材料选择和防护设计提供数据支持。
3. 无/小ELM模式研究：通过模拟不同运行参数下的等离子体行为，探索实现无/小ELM运行模式的窗口条件。这需要对等离子体加热、电流驱动、磁场位形等关键参数进行优化组合，以找到能够有效抑制ELM产生或降低其幅度的运行方案，从而提高装置的运行稳定性和靶板寿命。

效果要求

本技术需求期望通过三维磁流体模拟研究，实现以下效果：

• 科学突破：在ELM影响机制、靶板侵蚀过程及无/小ELM运行模式探索方面取得重要科学发现，推动核聚变物理研究的深入发展。
• 技术提升：建立一套高精度、高效率的三维磁流体模拟平台，为HL-3装置及其他托卡马克装置的运行优化和靶板设计提供强大工具。
• 应用效益：通过优化运行策略和靶板设计，显著提升HL-3装置的运行稳定性和靶板服役寿命，降低维护成本，为核聚变能源的商业化应用奠定坚实基础。
• 创新性：提出并验证新的无/小ELM运行模式，为国际核聚变研究提供创新思路和解决方案，增强我国在核聚变领域的国际竞争力。