大功率负氢离子源中H~-离子表面产生及引出过程的数值模拟研究

发布时间：2020-04-03 03:49

【摘要】：大型磁约束聚变装置,比如ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor),需要中性束注入(Neutral Beam Injection,NBI)系统来进行辅助加热和提供驱动电流。为了能穿透到聚变等离子体中心区域并提供有效的驱动电流,中性束粒子的能量需达到1 Me V以上。中性束粒子通常由加速后的高能离子中性化得到,但在如此高的能量下,正离子束的中和效率已经接近于0,而负离子束的中和效率仍在60%以上。因此,基于负离子源的NBI系统是ITER等大型磁约束聚变装置的必然选择。目前可用于ITER装置NBI系统的负氢离子源主要是射频(RF)源和弧放电灯丝源两种。RF负氢离子源与弧放电灯丝源相比,虽然结构和原理更为复杂,但是不需使用灯丝,可以长期无维护运行,且可以在放电过程中远程操作。2007年,RF负氢离子源被正式选为ITER参考源。我国目前开展的China Fusion Engineering Test Reactor(CFETR)项目也急需对RF负氢离子源进行深入的研究和探索。RF负氢离子源的结构原理十分复杂,目前对于其工作原理并没有十分清楚全面的认识,还有很多关键问题有待解决。其中氢负离子的表面产生过程,引出系统的优化设计以及引出束流品质的分析是负氢离子源研究中最重要的关键问题。本文依托华中科技大学(HUST)负氢离子源项目,分别对以上三个关键问题进行理论分析和数值模拟。论文的主要内容分为四个部分:第一部分是理论基础,阐述了负氢离子表面产生和引出机制,并针对这两个过程介绍了相应的数值计算方法,给出了Particle-in-cell Monte Carlo collision(PIC-MCC)算法和Vlasov-Poisson迭代算法的原理特点和基本步骤。第二部分是负氢离子表面产生过程的数值研究。分别采用解析模型和PIC-MCC数值方法对等离子体栅极表面的鞘层区域进行了分析计算,提出了离子-离子反鞘层模型,并用反鞘层模型解释了负氢离子源中的实验现象,提出可以通过增加正离子密度来增加负氢离子源的引出电流。证明了在强负离子表面发射的条件下离子-离子等离子体可以稳定存在,并根据离子-离子反鞘层的特点分析了离子-离子等离子体的不稳定性原因。第三部分是负氢离子源引出系统的数值研究。结合引出系统的特点,基于Vlasov-Poisson迭代算法,建立了能用于负氢离子源引出系统模拟计算的物理模型,开发了相关的程序算法。用Child定律的简单模型,验证了整个程序在考虑空间电荷效应时的正确性,并进行了误差分析。程序通过引入新增节点的方法,实现了复杂边界形状的描述,并用引出系统电场的计算验证了新增节点方法计算复杂边界的正确性。第四部分是引出束流品质的分析计算。采用第四章的数值算法和计算程序,分析了负氢离子源引出系统中的引出电压,偏转磁场等因素对引出束流品质的影响。在给定等离子体参数和引出系统结构情况下,得到了最优引出电压和偏转磁场,为HUST负氢离子源引出系统的工程设计和优化提供参考。
【图文】：

仿星器,聚变装置,托卡马克

ITER）”计划，中国也参与其中[6]。ITER 计划的目标是在地球上实现可的应用。2 聚变装置与 NBI 系统聚变反应所需的温度在 1 亿度以上，这就带来了两方面的难题：一个是如何高温度的粒子，另一个是如何加热粒子达到这样的高温[5,7]。目前在约束高温带电粒子方面，最常用的方法就是磁约束。经过特殊设计的的磁场位形，可以使带电粒子沿磁力线运动，不接触容器表面。磁约束聚变星器、托卡马克（Tokamak）和反场箍缩等[5,8-9]。仿星器的基本结构如图 1.1（，通过在真空室外壁缠绕螺旋绕组，使磁力线发生旋转变化； Tokamak 的如图 1.1（右）所示，通过在环形等离子体中通以电流来产生极向磁场，该纵向场可以合成旋转变化的螺旋磁场。Tokamak 是“磁线圈圆环室”的俄文缩环流器。由于其结构相对简单、迄今的投资最大，因此取得了最大的进展，常用的约束聚变等离子体的方法。

示意图,系统结构,示意图,文子

华中科技大学博士学位论文子加热方面，主要的辅助加热手段包括四种：低杂波加热、离子回波加热和中性束注入（Neutral Beam Injector, NBI）加热[8,10-12]。约束聚变装置中加热效率最高、物理机制最清楚且最具前景的等离。该方法通过向等离子体中注入高能量的中性粒子束，将能量传递方法不仅可以加热真空腔室中的等离子体，，还可以提供环向电流，为的极向磁场。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL631

【参考文献】