基于整体模型的负氢等离子体源的数值模拟及实验验证

发布时间：2020-04-12 13:40

【摘要】：磁约束聚变装置中的中性束注入技术可以有效地加热等离子体和驱动等离子体电流。负氢离子在引出的束能量较高时仍然可以保持很高的中性化效率,因此对未来的磁约束聚变堆中性束加热技术将起到关键性的作用。负氢离子源中的关键问题之一是如何优化负氢离子的产额。为了理解负氢离子的体产生机制,从而进一步地改善负氢离子源的性能,需要一个经过验证的模型。与流体模拟和粒子模拟相比,整体模型忽略了等离子体参数的空间变化,所以更适合模拟包含复杂化学动力学过程的氢气放电。此外,整体模型可以快速地评估不同反应的重要性进而简化模型中的化学动力学过程。在放电气压较低的负氢离子源中,电子的动理学是非局域的,而负氢离子的产量依赖于电子的动理学。由于整体模型不包含电子动理学的信息,因此不同模型间的耦合以及与实验测量的结合将有助于研究负氢离子源的放电特性。第一章介绍了负氢离子源的应用背景、模拟研究进展以及实验研究进展,并对现有研究中面临的问题进行了分析,最后提出本文将要研究的内容。第二章利用整体模型耦合电磁场方程和线性动理学方程研究了射频频率、放电气压及线圈电流对感性电场分布和功率密度分布的影响,并揭示了反常趋肤效应。结果表明,低气压、低射频频率以及低电流幅值更利于等离子体从射频电场中吸收功率。这是因为在这些条件下,等离子体的密度更低,电场的穿透深度更大。此外,模型计算的电子密度和电子温度与实验测量值取得了合理的一致。第三章开发了适用于任意电子能量分布函数的整体模型,并在模型中耦合了氢原子加热方程,研究了低气压情况下,电子能量分布函数对等离子体参数的影响。结果表明,在较低气压时,由于双麦克斯韦分布包含更多的低能电子,进而可以增加负氢离子的产额。此外,在两种电子能量分布函数情况下评估了不同反应对不同氢分子振动态的产生和损失的贡献。最后,将模型计算的电子密度和电子温度与他人的模拟结果和实验结果进行对比,取得了很好的一致。第四章对整体模型程序进行了校准以及实验验证。通过与他人开发的模型针对所有粒子密度和电子温度进行对比,得到了很好的一致。实验的验证主要是与其他学者基于电子回旋共振等离子体源测量的负氢离子密度进行对比。模型计算和实验测量取得了定性一致的结果。负氢离子的密度随气压的增加而趋于饱和,这主要是因为冷电子的密度趋于饱和,进而抑制了用于生成负氢离子的解离吸附过程。第五章先对复杂的氢分子振动动力学过程进行分类,随后利用整体模型对这些过程进行详细地评估和简化,并假设氢分子振动态与器壁碰撞后退激发到任意较低态的几率是相等的,推导出可以快速计算氢分子振动分布的简化模型。结果表明,平均化的退激发几率几乎不影响氢分子的振动分布。简化模型与整体模型计算的氢分子振动分布符合的很好。最后,对本文的研究进行了总结以及对今后将开展的工作进行了展望。
【图文】：

示意图,托卡马克装置,磁场位形,示意图

种是磁约束［４］。目前，使用磁约束的方法来约束高温带电粒子更为常见。通过巧妙地设逡逑计磁场位形，，可使带电粒子沿着磁力线运动，进而避免与容器表面接触。磁约束聚变装逡逑置主要有托卡马克［１］、仿星器［５］及反向场箍缩［６］等。图１．２显示的是托卡马克装置的示意逡逑图［７］。外部线圈产生的环向磁场与等离子体电流产生的极向磁场组成了螺旋状的封闭磁逡逑面，其可有效地将等离子体约束在磁面内部，从而使等离子体沿着磁力线运动。逡逑中心螺线Q戝危沓∠呷﹀义蟬E丨１１逡逑环向场线圈逦＼逡逑等离子体（流表面）逡逑图１．２托卡马克装置磁场位形的示意图［７］逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ邋ｉｎ邋ａ邋Ｔｏｋａｍａｋ邋＇逡逑－２邋－逡逑

示意图,系统结构,示意图,聚变等离子体

加热相比于其他加热方式具有更大的竞争力［１１］。逡逑１．２中性束加热逡逑ＮＢＩ加热的本质是将高能中性粒子（主要是氢和氘）注入到聚变等离子体中。图１．３逡逑显示的是ＮＢＩ系统的结构示意图１７］。在ＮＢＩ系统中，需要一系列的步骤来产生高能中性逡逑粒子。首先，在一个离子源中（正离子源或负离子源），氢气和氘气被电离。通过加速逡逑系统可以把这些被电离的粒子从等离子体源中提取出来。然后，在一个气体反应室中，逡逑对正离子通过电荷交换或对负离子通过电子剥离来中性化这些被引出的离子。其次，通逡逑过离子偏转线圈将中性束中残留的离子过滤出来。最终，将过滤后的中性束粒子注入到逡逑聚变装置中加热等离子体。在聚变等离子体中，中性粒子将经历两种碰撞。逡逑－３邋－逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O53;TL631

【参考文献】