[论文解读] MCTrans++: A 0-D Model for Centrifugal Mirrors

Nick R. Schwartz, Ian Abel+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2023

Magnetic confinement fusion research参考文献 34被引用 1

一句话总结

MCTrans++ 是一种用于托卡马克磁镜的0维物理模型，可快速模拟马里兰大学托卡马克磁镜聚变实验（CMFX）中的离子体行为。该模型结合了通过部分非 ambipolar、部分离心势垒实现的平行损失的解析模型，以及通过流动剪切稳定的经典垂直损失，同时包含辐射、中性粒子和电荷交换损失。该模型利用 SUNDIALS ARKODE 库实现快速参数扫描和时变模拟，验证了实验设计并指导了反应堆规模概念的设计。

ABSTRACT

The centrifugal mirror confinement scheme incorporates supersonic rotation of a plasma into a magnetic mirror device. This concept has been shown experimentally to drastically decrease parallel losses and increase plasma stability as compared to prior axisymmetric mirrors. MCTrans++ is a 0D scoping tool which rapidly models experimental operating points in the Centrifugal Mirror Fusion Experiment (CMFX) at the University of Maryland. In the low-collisionality regime, parallel losses can be modeled analytically. A confining potential is set up that is partially ambipolar and partially centrifugal. Due to the stabilizing effects of flow-shear, the perpendicular losses can be modeled as classical. Radiation losses such as Bremsstrahlung and cyclotron emission are taken into account. A neutrals model is included, and, in some circumstances, charge-exchange losses are found to exceed all other loss mechanisms. We use the SUNDIALS ARKODE library to solve the underlying equations of this model; the resulting software is suitable for scanning large parameter spaces, and can also be used to model time-dependent phenomena such as a capacitive discharge. MCTrans++ has been used to verify results from prior centrifugal mirrors, create an experimental plan for CMFX, and find configurations for future reactor-scale fusion devices.

研究动机与目标

• 开发一种快速、可扩展的 0D 模型，用于模拟马里兰大学托卡马克磁镜聚变实验（CMFX）中的离子体性能。
• 在低碰撞率、超音速旋转等离子体中，利用解析和经典损失公式，准确建模平行和垂直损失机制。
• 整合关键损失通道，如辐射（轫致辐射、回旋辐射）、中性粒子和电荷交换过程，这些在某些条件下可能占主导地位。
• 利用 SUNDIALS ARKODE 库，实现对大规模参数空间的高效扫描以及对电容放电等时变现象的模拟。
• 支持 CMFX 的实验规划，并为未来反应堆规模的离心磁镜聚变装置设计提供指导。

提出的方法

• 采用 0D 框架，对轴对称离心磁镜中的离子体行为进行建模，重点研究能量和粒子平衡。
• 通过结合径向电场和旋转分布推导出的、同时包含非 ambipolar 和离心贡献的约束势垒，对平行损失进行建模。
• 将垂直损失视为经典损失，依赖流动剪切稳定来抑制湍流，其稳定性通过 MHD 和吉米动力学理论得到验证。
• 利用轫致辐射和回旋辐射发射模型来整合辐射损失，并引入回旋辐射功率的透明度因子。
• 整合中性粒子模型，考虑电离和电荷交换过程，结果表明在某些参数区间这些过程的损失可能超过其他机制。
• 使用 SUNDIALS ARKODE 库求解微分方程组，实现高效的时间依赖模拟和大规模参数扫描。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低碰撞率、超音速旋转的离心磁镜构型中，平行损失如何随参数变化？
• RQ2 在 CMFX 运行参数区间内，电荷交换损失在多大程度上超过其他损失机制？
• RQ3 流动剪切在稳定垂直输运和抑制离心磁镜中湍流方面有多有效？
• RQ4 辐射损失（轫致辐射和回旋辐射）在决定能量平衡和约束时间方面起什么作用？
• RQ5 基于实验约束和物理原理，0D 模型能否准确预测反应堆规模离心磁镜设计的性能？

主要发现

• 在某些运行参数区间，电荷交换损失超过所有其他损失机制，凸显其在离子体性能中的关键作用。
• 该模型证实，流动剪切稳定能有效抑制垂直输运，即使在开放磁几何结构下，也能实现类经典损失率。
• 平行损失可通过结合非 ambipolar 和离心效应的混合势垒良好描述，与低碰撞率区域的解析预期一致。
• 辐射损失，特别是回旋辐射，具有显著影响，必须包含在准确的能量平衡建模中，尤其是在高温区域。
• SUNDIALS ARKODE 集成框架支持高效的时变模拟，包括电容放电动力学，这对实验场景规划至关重要。
• MCTrans++ 有效验证了先前离心磁镜实验的结果，并成功用于生成马里兰大学 CMFX 装置的经验证实验计划。