[发明专利]一种托卡马克聚变堆第一壁热流密度计算方法

权利要求书

1.一种托卡马克聚变堆第一壁热流密度计算方法，其特征在于：该方法基于等离子体位形、磁场空间分布和第一壁空间分布，根据第一壁热流密度来源，分别建立辐射换热三维计算模型和带电粒子热流密度三维计算模型；

辐射换热三维计算模型参考托卡马克聚变堆工程设计的保守平均热流密度，对等离子体温度进行迭代计算，最终得到平均热流密度一致时的第一壁辐射热流密度分布；

带电粒子热流密度三维计算模型根据等离子体位形和磁场空间分布建立带电粒子在第一壁上的空间投影，并考虑带电粒子在最外闭合磁面外的衰减，最终得到第一壁上带电粒子热流密度分布；

该方法计算对象包括第一壁(1)、等离子体(2)；其中第一壁(1)根据托卡马克聚变堆设计进行排布，等离子体(2)为计算工况下位形的最外闭合磁面；

进行计算时，需已知或能够初步获得以下参数：第一壁材料许用温度T₀、第一壁材料辐射度ε、计算工况下的等离子体位形最外闭合磁面空间坐标、第一壁设计结构及空间坐标、聚变堆第一壁的设计保守平均热流密度Q₀、磁场空间分布B、工况下衰减长度λ_q和最后闭合磁力线平行热流密度q₀。

2.根据权利要求1所述的一种托卡马克聚变堆第一壁热流密度计算方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1，建立辐射换热三维计算模型：根据托卡马克设计中等离子体位形最外闭合磁面空间坐标和第一壁空间坐标建立辐射换热三维计算模型的完整三维结构，根据完整三维结构环向对称性，选取最小重复结构作为计算使用的三维结构；

辐射换热计算基于有限元法进行离散，辐射换热计算公式采用斯蒂芬-玻耳兹曼定律，辐射发射功率E表达式为：

E＝σT⁴

其中σ为玻尔兹曼常数；

根据热平衡，第一壁辐射热流密度分布q_r为对应点总入射辐射热流密度G减去总漫反射热流密度J＝ρ_dG+E(T₀)和总镜面反射热流密度ρ_sG，其中ρ_d为漫反射系数，ρ_s为镜面反射系数，并有ε＝1-(ρ_d+ρ_s)，最终表达式为：

q_r＝G-(J+ρ_sG)＝ε(E(T)-E(T₀))

式中：E(T)为等离子体辐射发射功率，E(T₀)为第一壁辐射发射功率；表达式中选取第一壁材料许用温度T₀作为第一壁温度，空间距离与表面法向夹角由三维结构坐标得到，等离子体温度T为未知量，使用迭代法对等离子体温度T进行迭代计算，直到三维结构所有坐标计算得到的q_r的平均值与Q₀相等，选取此时的第一壁辐射热流密度分布q_r作为模型计算结果；

步骤2，建立带电粒子热流密度三维计算模型：带电粒子热流密度三维计算模型采用与步骤1相同三维结构；带电粒子热流密度计算采用有限元法进行离散，首先已知磁场空间分布B，选取三维结构中每个计算点磁场方向作为其坐标处带电粒子方向，如果磁场为托卡马克坐标，则对磁场托卡马克坐标进行笛卡尔坐标代换，表达式为：

由于磁场具备环向均匀性，B(r,phi,z)＝B(r,z)，B(r,phi,z)为随托卡马克坐标变化的磁场，B(r,z)为随托卡马克坐标变化的轴对称磁场；磁场平行热流密度q采用指数衰减模型，表达式为：

其中q为磁场平行热流密度，q₀为最后闭合磁力线平行热流密度，d为计算点与最外闭合磁面空间距离，λ_q为工况下衰减长度；

则第一壁上带电粒子热流密度q_b为:

其中n为计算点法向量，n_x、n_y、n_z分别为计算点法向量在笛卡尔坐标系下分量，B_phi、B_r、B_z分别为磁场空间分布B在托卡马克坐标系下分量，此时q_b为模型计算结果。