(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211133612.9 (22)申请日 2022.09.19 (71)申请人 大连理工大 学 地址 116024 辽宁省大连市甘井 子区凌工 路2号 (72)发明人 王正汹　姜帅　刘桐　汤炜康　 魏来　 (74)专利代理 机构 大连理工大 学专利中心 21200 专利代理师 温福雪 (51)Int.Cl. G16C 60/00(2019.01) G06F 30/20(2020.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 119/06(2020.01)G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 一种基于托卡马克中多组分等离子体辐射 效应的粒子演化模拟方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于托卡马克中多组分 等离子体辐射效应的粒子演化模拟方法， 属于磁 约束受控核聚变技术领域。 首先计算杂质密度分 布、 电子密度分布以及离子密度分布的演化， 然 后计算连续性辐射和线辐射， 进而将多种等离子 体辐射精 准地加在磁岛内部。 再计算在等离子体 辐射修正下的磁场位形， 并继续计算先进磁场位 形下等离子体总辐射及相关参数的演化， 如此反 复计算， 达到长时间演化的模拟效果。 本发明既 实现了杂质、 电子以及离子实时动态分布的计 算， 又可以计算多种等离子体辐射在真实三维磁 场位形下演化， 进而 得到任意时刻的等离子体相 关参数剖面； 同时更加准确地描述先进磁场位形 下等离子体辐射的空间分布情况和磁流体不稳 定性的情况。 权利要求书3页 说明书7页 附图2页 CN 115512791 A 2022.12.23 CN 115512791 A 1.一种基于托卡马克中多组分等离子体辐射效应的粒子演化模拟方法， 其特征在于， 该方法包括以下步骤： 步骤1： 将托卡马 克装置放电实验中的等离子体区域进行网格划分， 等离子体辐射演化 过程中得到的等离 子体总辐射 值、 磁通函数值均由所划分的网格节点进行 数据的存 储； 步骤2： 根据实验中最高电离态、 远红外干涉仪与汤姆逊散射来分别计算出初始杂质密 度分布 初始电子密度分布 和初始电子温度分布 步骤3： 托卡马克放电中采用磁通环得到初始磁场的位形， 并计算得到初始磁通ψ(0)并 存储在网格节点中； 步骤4： 将初始磁通ψ(0)、 初始杂质密度分布 初始电子密度分布 及给定的初始 离子密度分布 分别带入到磁流体方程、 杂质密度分布演化方程、 电子密度分布演化方 程和离子密度分布演化方程中进行计算， 分别得到下一时刻的磁通ψ(1)、 杂质密度分布 电子密度分布 和离子密度分布 具体步骤如下： 杂质密度分布的演化方程 为： 电子密度分布的演化方程 为： 离子密度分布的演化方程 为： 其中， nz为杂质的粒子密度分布， ne表示电子密度分布， ni表示离子密度分布； φ为电 势， t为时间； Dz||和Dz⊥分别是杂质的平行方向与垂直 方向的杂质扩 散系数； De||和De⊥分别是 电子的平行方向与垂直方向的杂质扩散系数； Di||和Di⊥分别是离子的平行方向与垂直方向 的杂质扩散系数； 和 分别是平行方向与垂直方向的梯度算符； Sradz为杂质的源项， Srade 为电子的源项， Sradi为离子的源项； 步骤5： 根据步骤4计算出杂质密度分布， 当托卡马克芯部的杂质密度分布达到设定的 阈值时， 进而将等离子体辐 射的计算模块打开， 从而计算磁场位形随时间的演化并得到此 时刻的等离 子体总辐射 步骤6： 将计算出的等离子体总辐射耦合进磁流体方程中， 计算一个单位 时间步长下的 磁通量的演化， 并得到加入等离 子体总辐射演化后的磁通 量 步骤7： 将步骤5中计算得到的等离 子体总辐射 的三维空间分布信息 输出；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115512791 A 2步骤8： 根据步骤6中计算后得到的考虑等离子体总辐射后的磁通量 进一步计算出 当下的磁场位形， 进而继续重复步骤5 ‑8即得到任意时刻的等离子体总辐射 以及考虑 等离子体总辐射后的磁通 量 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述步骤4中， 杂质密度分布、 电子密度分 布和离子密度分布演化方程的具体 计算方法如下： (1)将杂质密度分布、 电子密度分布和离 子密度分布用谱方法进行表达： 其中， (m,n)是环向与极向模数； R0为托卡马克的大半径； θ为极向角； z表示柱向方向； f 为粒子分布， 包括杂质密度分布、 电子密度分布和离 子密度分布； (2)采用两步预测 ‑校正法进行各种粒子分布的时间推进计算； 其中， 两步预测 ‑校正法 的计算格式如下： 预测： 校正： 其中， H表示磁通量以及磁流体方程中 的参数； v为扩散系数； t为时间； 代表半个时 间步长； dt代表一个时间步长； 下标rhs表示磁流体方程的右手项， 表示垂直磁场方向的 梯度。 3.根据权利要求1或2所述的方法， 其特 征在于， 所述 步骤5的具体步骤如下： 步骤5.1： 根据电子温度分布Te的数值和产生的杂质种类计算出相对应的辐射冷却率L (Te)的数值； 步骤5.2： 计算 等离子体总辐射， 包括连续 性辐射和线辐射； 根据连续 性辐射公式： 和电子回旋辐射公式： Pc＝5.4×10‑25neB2Te erg s‑1cm‑3 以及特征线辐射的计算公式： 其中， Pb表示连续性辐射的大小， Pc表示电子回旋辐射的大小， Pz表示线辐射的大小；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115512791 A 3