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技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A test particle simulation method for analyzing the constraint performance of high energy particles in Tokamak

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，其特征在于，所述的方法具体包括以下步骤：/n步骤1：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；/n步骤2：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；所述相空间分布信息包括每一个粒子的位置信息(R，ζ，Z)与速度信息(v

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，所述的方法具体包括以下步骤：
步骤1：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；
步骤2：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；所述相空间分布信息包括每一个粒子的位置信息(R，ζ，Z)与速度信息(vR，vζ，vZ)，其中，(vR，vζ，vZ)为粒子在三维柱坐标系下的速度坐标值；
步骤3：载入初始电磁场信息：
B(R，ζ，Z，t0)＝B0(R，ζ，Z)+B1(R，ζ，Z，t0)(1)
E(R，ζ，Z，t0)＝E1(R，ζ，Z，t0)(2)
其中，B(R，ζ，Z，t0)为初始磁场，E(R，ζ，Z，t0)为初始电场，B0(R，ζ，Z)为平衡磁场，B1(R，ζ，Z，t0)为扰动磁场，E1(R，ζ，Z，t0)为扰动电场，t0为初始时刻；
步骤4：采用三维柱坐标系下全轨道方程求解粒子运动轨迹，全轨道方程如下：



其中，(ER，Eζ，EZ)与(BR，Bζ，BZ)分别为电场和磁场在三维柱坐标系下的分量；Ze为粒子电荷量；m为粒子质量；e为元电荷；
同时，采用漂移轨道求解粒子的导心运动轨迹，导心轨道方程如下：



其中，X为粒子导心坐标，v||为粒子速度沿磁场方向的分量，μ为粒子磁矩，为空间梯度算符，B*、和Ω的表达式如下：









其中，b＝B/B，为沿磁场方向的单位矢量；
步骤5：高能量粒子与背景等离子体之间的库仑碰撞采用福克-普朗克方程来描述，并通过蒙特卡洛方法进行数值计算，方程如下：















其中，fα为粒子的分布函数，Fi为拖拽参数，Dik、Dii为扩散参数，ξi为满足方差为1的高斯分布随机数，νsd为等效慢化碰撞频率，v||为等效散射频...

【专利技术属性】
技术研发人员：王正汹，王丰，赵睿，马好杰，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21