托卡马克边缘等离子体中锂粉输运的模拟研究

发布时间：2020-10-15 05:41

　　 托卡马克磁控核聚变被认为是解决人类能源危机的终极方案。但随着等离子体参数的提高和放电时间的增加,托卡马克中边缘等离子体与器壁相互作用这一问题显得尤为重要。为了选择合适的壁材料,人们分别开展了铍、碳、钨作为壁材料的相关实验和模拟研究,但是结果表明这些材料都存在着一些比较严重的缺陷。针对这一问题,近年来研究发现采用金属材料锂有潜在优势,因为锂具有可降低偏滤器处的等离子体能流,对芯部等离子体污染小等优点。最近在超导EAST装置上成功实现超过30秒的H膜,也与锂处理等离子体面壁密切相关。本论文主要是针对EAST装置中撒入锂粉的实验,围绕锂粉在边缘等离子体中的输运及其与等离子体相互作用这一基础问题展开,为我国磁控核聚变实验相关实验工作提供理论指导。在第一章中,主要介绍了等离子体的一些基本知识和受控磁约束核聚变的发展史,比较了几种等离子体壁材料,最后介绍了新兴锂材料在聚变装置中的应用情况及取得的进展。在第二章中,将详细地介绍在模拟锂粉输运这一过程所涉及到的理论和数值方法。在第三章中,结合主要实验参数进行了具体的数值模拟研究,包括锂颗粒的带电、受力及运动特性的研究及锂颗粒蒸发为锂原子后在空间的分布情况。在第四章中,主要针对锂原子与背景等离子体的碰撞进行模拟,初步研究了锂原子与背景等离子体的相互作用。结合当前EAST装置撒入锂粉锂化壁面过程进行数值模拟。首先,将锂粉看作球形小颗粒,利用轨道运动限制理论研究其在边缘等离子体中表面带电、受力和运动轨迹的变化。采取典型的边缘等离子体参数,研究表明,对于微米量级的锂颗粒,约在纳秒时间量级内就能达到充电平衡,所收集电荷数量约为104量级。同时,由于锂颗粒在等离子体中会受到到离子拖拽力、重力、洛伦兹力的作用,根据牛顿力学方程追踪其运动轨迹。我们主要针对EAST装置上常用的半径为lμm和22μm的锂颗粒进行模拟,对锂颗粒而言,半径越大,相应的运动轨迹越长,对于半径为22μm的锂颗粒,在蒸发前沿各个方向运动的距离约为毫米量级。锂颗粒在等离子体中由于受热会使表面温度升高,待颗粒表面温度达到升华温度后即蒸发为锂原子,可以相应的给出锂原子在空间的分布,为下一步继续研究锂杂质输运提供了初始条件。由于锂原子将与等离子体发生碰撞反应,那么相应的采用蒙特卡罗方法模拟某一位置处锂原子与背景等离子体之间的碰撞,结果表明,最终空间中相应的一价锂离子较多,为深入研究锂杂质与等离子体的相互作用提供理论指导。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TL631.24
【部分图文】：

图１．１等离子体空间参数Ｉ”

星云等均是等离子体。在实际生产和生活中，相当数量的人造等离子体也已经出现，诸??如等离子体彩电、霓虹灯、突光灯等。??图１．１等离子体空间参数Ｉ”。??Ｆｉｇ．?１，１?Ｐｌａｓｍａ?ｓｐａｃｅ?ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ［３］．??－２－??

??（３）其纵场系统能使环向等离子体电流持续稳定放电。??如图１．３所示为典型的托卡马克装置示意图－??一ＴＲ?ＡＮ?ＳＰＯ?ｆｔＭ?ＥＲ?ＣＯＩＬ??ＶＥＲＴＩＣＡＬ?ＦＩＥＬＤ?ＴＯＲＯＩＤＡＬ??ＣＯＩＬＳ?ＦＩＥＬＤ?ＣＯｔＬ??ＰＬＡＳＭＡ?ＣＵＲＲＥＮＴ?ＰＬＡＳＭＡ?Ｍｆｉ?ｔＳＮＥ?ＴＩＯ?ＦＩＥＬ?Ｄ?ＬＩ?ＮＥ??图１．３托卡马克磁场示意图［１５］。??Ｆｉｇ．?１．３?Ｔｈｅ?ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｆｉｅｌｄ?ｏｆ?Ｔｏｋａｎｉａｋ?ｄｅｖｉｃｅ＾＇＾ｌ??长久以来，种类繁多的磁约束聚变实验装置己经被成功搭建，核聚变研究也进入了??一个高潮期，人们逐渐了解了影响磁约束和能量损失的各种物理机制，在探索和实现托??卡马克稳态运行方面取得了很大进步。目前世界上几个著名的托卡马克装置分别有欧洲??的?ＪＥＴ［ｉ６］、日本的?ＪＴ－６０［ｉ７］、美国的?ＤＩＩＩ－Ｄ？和?Ａｌｃａｔｏｒ－Ｃ－ｍｏｃＦ】，法国的?Ｔｏｒｅ?Ｓｕｐｒａ［２０］，??－５－??
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本文编号：2841779