突破“芯部-边界”壁垒,SICAS框架实现核聚变全局自洽模拟

· 技术突破

8月25日,美国田纳西大学诺克斯维尔分校宣布已经联合德国马克斯・普朗克等离子体物理研究所(IPP)团队,提出并验证了一款名为SICAS(SOLPS-ITER coupled to ASTRA-STRAHL)的集成建模框架,旨在解决核聚变装置中 “芯部-边缘- 偏滤器” 全局等离子体与杂质输运的自洽模拟难题。

Section image

一、研究背景:核聚变的核心瓶颈—芯部-边界难题与杂质管理

磁约束核聚变(以托卡马克为主)的商业化需突破 “芯部-边界难题”:芯部需 上亿度高温以维持聚变反应,边界(含刮削层SOL、偏滤器)需低温保护壁材料并消散热负荷,而两者物理环境差异导致模拟割裂,无法捕捉耦合效应。

另一关键挑战是杂质管理:壁材料溅射的固有杂质(如碳)或注入的非固有杂质(如氮、氩),既可能通过辐射降热负荷,也可能侵入芯部冷却等离子体。此前独立代码模拟需假设杂质源项,与实际物理过程不符,难以准确预测全装置行为,制约聚变堆研发。

二、SICAS框架:三大代码协同,破解芯边割裂

SICAS(SOLPS-ITER coupled to ASTRA-STRAHL)通过耦合三大代码,实现 “偏滤器-芯部” 全局自洽模拟,核心是 “代码分工、数据互通、物理自洽”。

1. 三大核心代码的功能分工

  • SOLPS-ITER:模拟边缘区域(SOL、偏滤器、磁通区),由B2.5多流体求解器与Eirene 3D中性粒子模拟器耦合而成,计算热负荷、杂质辐射、偏滤器脱靶状态,采用2D曲线正交网格贴合磁通量面。
  • ASTRA:模拟芯部,为1.5D模块化输运代码,求解径向输运方程获电子 / 离子密度、温度等参数,可兼容NEO、TGLF等子模块提升精度。
  • STRAHL:模拟芯部杂质输运,求解杂质电离平衡,计算杂质密度、辐射功率及有效电荷数(Zeff),集成NEOART子模块处理新经典输运,基于1D体积归一化坐标(ρvol)模拟。

2. 四大关键创新设计

  • 重叠区域匹配:定义从separatrix内侧到SOLPS-ITER芯部边界的重叠区,将SOLPS-ITER的2D参数通转1D,与ASTRA剖面匹配,确保芯边参数一致,H模式下覆盖台基区。
  • 杂质源项真实化:以SOLPS-ITER输出的偏滤器杂质产生率(如碳溅射源)作为STRAHL输入,替代传统假设源项,提升模拟准确性。
  • 时间步同步:通过Shell脚本与Python工具,使ASTRA-STRAHL的1个时间步匹配SOLPS-ITER多个迭代步,支持瞬态过程模拟,但尚未经过测试。
  • 多场景兼容:可适配DIII-D等装置,支持下单零/上单零、闭合偏滤器、负三角形位形(NT),及氢/氘为主离子、碳/氮/氩为杂质的场景。

三、实验验证:DIII-D 装置上的四大关键成果

团队基于DIII-D的4类放电实验验证SICAS,结果与实验高度吻合:

  • 氢-碳等离子体(下单零H模式):模拟放电

,内靶板电子密度(1.2×10²⁰ m⁻³)高于外靶板,温度(5eV)低于外靶板,复现靶板不对称性;外中平面(OMP)径向剖面与汤姆逊散射(TS)、电荷交换复合光谱(CXRS)数据偏差<15%。

,调整输运模型中离子质量参数,成功模拟氘等离子体物理溅射率提升导致的边缘辐射增强。

,外靶板电子密度达1.5×10²⁰m⁻³、温度<3eV,氮辐射占总辐射60%,实现偏滤器脱靶,与 “闭合偏滤器易高辐射脱靶” 结论一致。

,复现负三角形等离子体 “温度剖面似H模式、密度剖面似L模式” 的独特特征,氩辐射集中于边缘未影响芯部约束。

1. 核心价值

  • 填补学术空白:首次实现 “偏滤器-芯部” 全局等离子体-杂质自洽模拟,量化芯边耦合效应。
  • 支撑反应堆设计:有望应用于ITER的集成建模研究,可预测ITER热负荷、优化杂质注入,指导商用堆(如DEMO)壁材料选择与偏滤器设计。
  • 方法论创新:支持解释性(反演输运系数)与预测性(基于验证模型预测新场景)模式,当前与实验数据吻合良好。

2. 未来优化方向

  • 升级台基输运模型,

将EPED模型集成到框架中

  • 加入漂移效应(如ExB漂移),优化杂质极向分布模拟
  • 将框架适配JET、KSTA等装置,扩展应用范围

SICAS框架的突破,为核聚变从实验向工程转化提供关键工具,也为解决聚变堆芯边协同与杂质管理难题奠定基础,推动清洁能源商业化进程。

参考链接:

  • https://research.utk.edu/oried/2025/08/25/ut-scientists-plasma-group-publishes-new-framework-to-advance-fusion-energy-research/
  • https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/adbc02/pdf