托卡马克和反场箍缩装置击穿过程的数值模拟研究
发布时间：2021-12-16 12:14
磁约束聚变是一种利用强磁场约束高温等离子体产生核聚变并释放能量的技术。目前世界各国先后建成不同的磁场位形来研究聚变等离子体,包括磁镜、仿星器、反场箍缩、托卡马克等。磁约束聚变装置的启动过程从冷的中性气体开始,通过改变极向场线圈电流,在大环方向感应产生环电场,利用环电场来加热真空室中的自由电子,使其与中性原子发生碰撞,形成电子雪崩,产生等离子体。通过控制极向场线圈电流,获得较好的磁场分布,从而约束等离子体,实现等离子体的完全电离及等离子体电流的爬升。虽然聚变被研究了几十年,但对于磁约束聚变装置的启动过程,还没有完整的理论能够给出解释,尤其是等离子体的击穿过程,已有的汤森放电理论并不能完全解释强磁场条件下的等离子体放电过程。由于诊断技术水平的限制,目前实验上还没有为磁约束聚变等离子体形成过程而设计的诊断工具,这使得击穿阶段的实验数据非常有限。针对这些问题,本论文研究了托卡马克和反场箍缩位形下的等离子体击穿过程,为实验研究者提供实验参考和理论依据。根据磁约束聚变装置上等离子体形成的条件,利用粒子耦合蒙特卡洛碰撞方法（Particle-in-cell/Monte Carlo collision...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．３?ＤＩＩＩ－Ｄ上典型的托卡马克放电时序图??
场的径向梯度和垂貪磁场的存在使电予横向漂移。尽管每个托卡马克在启动阶段都会??产生一个局域的、瞬时的零场区，但实际中的零场Ｋ总会存在随时间变化的横＿场，??导致电子的横向漂移，最终使电子在运动很多圈后撞到麾上，如图１．７所私因此在击??穿阶段需要极向线圏电流的组合来优化磁场位形，形成零场区，并保证等离子体击穿??发生在芯部Ｓ域。实验中的绝对零场区是不存在的，在Ｊ－ＴＥＸＴ装置上，一般认为极向??磁场小ｆ５Ｇ的区域为零场区［６９］。图１．８给出的是ＪＥＴ上形成的零场区位形，零场区内??对应的Ｌ／ｊ艮长，能够确保击穿顺利完成。??圓１．７有效连接长度％的原理图［１５］??在雪崩阶段，电子平行电场的平均漂移速度近似为３５Ｅ／ｐ?（ｍ／ｓ），以ＮＳＴＸ装置为??例（大半径为０．８５ｍ，小半径为０．６８ｍ），电予漂移到壁的时间大约为６ｍｓ。对离子而言，??其速度大约为〇．９Ｅ／ｐ?（ｍ／ｓ），对应漂移到壁．上的时间大约为１５０ｍｓ，囡此雪崩阶段二次??电离就不ＩＩ要。当Ｅ／ｐＸｘｌｏＶｎ＾Ｔｏｒｒ－１
发现两种启动模式：匹配模式（ｍａｔｃｈｅｄ?ｍｏｄｅ）和爬升模式（ｒａｍｐ?ｍｏｄｅ）。??这两种启动方式的物理图像都还不清楚。传统的ｍａｔｃｈｅ?ｍｏｄｅ启动过程的参数变化如??图１．１１所示。初始的环向磁场＆由极向线圈中的电流产生，环向的等离子体电流／＞??由感应的环电压％驱动，而环电压是由大环方向变化的磁场感应产生，之后靠近等??离子体外边界处的磁场反向。实验发现当等离子体电流＆达到峰值之后，反场分布可??以通过环向电场＆维持。因其类似于太阳物理学和天体物理学中场的产生过程，被??称作ｄｙｎａｍｏ行为。对于ＲＦＰ上箍缩位形的维持，根据Ｔａｙｌｏｒ的理论，该位形会驰豫??到一个最小能量态。匸〇１１３血［１（）９］等人利用Ｔａｙｌｏｒ理论研究了启动过程中的场分布情况，??１６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]托卡马克研究的现状及发展[J]. 李建刚. 物理. 2016(02)
[2]韩国的核聚变研究现状及发展战略[J]. 康卫红. 世界科技研究与发展. 2014(02)
[3]超导托卡马克工程研究概况[J]. 丁逸骁,朱银锋. 低温与超导. 2011(08)
[4]国际热核实验反应堆计划及其对中国核能发展战略的影响[J]. 潘垣,庄革,张明,王之江,丁永华,于克训. 物理. 2010(06)
[5]EAST全超导托卡马克等离子体击穿模拟[J]. 张馨予,肖炳甲,罗正平. 核电子学与探测技术. 2008(05)
[6]低杂波电流驱动下HT-7超导托卡马克逃逸电子行为[J]. 卢洪伟,胡立群,江勇,林士耀. 强激光与粒子束. 2008(05)
[7]我国磁约束聚变研究进展和展望[J]. 万宝年. 中国科学基金. 2008(01)
[8]EAST纯欧姆放电的数值模拟[J]. 刘成岳,肖炳甲,吴斌,刘连忠,罗正平. 核聚变与等离子体物理. 2007(04)
[9]我国超导托卡马克的现状及发展[J]. 李建刚. 中国科学院院刊. 2007(05)
[10]Physical Engineering Test and First Divertor Plasma Configuration in EAST[J]. 万宝年. Plasma Science and Technology. 2007(02)
博士论文
[1]KTX装置的概念设计和RFP电流启动阶段的实验研究[D]. 毛文哲.中国科学技术大学 2015
[2]J-TEXT托卡马克极向场控制策略及等离子体放电运行控制的研究和实现[D]. 邱胜顺.华中科技大学 2011
[3]J-TEXT托卡马克装置脉冲电源系统的实现及运行分析[D]. 张明.华中科技大学 2008
硕士论文
[1]J-TEXT托克马克电场漂移偏压电源研制[D]. 黄海.华中科技大学 2011
[2]J-TEXT托卡马克电场漂移电子注入电源系统的研制[D]. 刘德全.华中科技大学 2011
[3]EAST等离子体击穿的模拟[D]. 张馨予.合肥工业大学 2007
本文编号：3538118
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．３?ＤＩＩＩ－Ｄ上典型的托卡马克放电时序图??
场的径向梯度和垂貪磁场的存在使电予横向漂移。尽管每个托卡马克在启动阶段都会??产生一个局域的、瞬时的零场区，但实际中的零场Ｋ总会存在随时间变化的横＿场，??导致电子的横向漂移，最终使电子在运动很多圈后撞到麾上，如图１．７所私因此在击??穿阶段需要极向线圏电流的组合来优化磁场位形，形成零场区，并保证等离子体击穿??发生在芯部Ｓ域。实验中的绝对零场区是不存在的，在Ｊ－ＴＥＸＴ装置上，一般认为极向??磁场小ｆ５Ｇ的区域为零场区［６９］。图１．８给出的是ＪＥＴ上形成的零场区位形，零场区内??对应的Ｌ／ｊ艮长，能够确保击穿顺利完成。??圓１．７有效连接长度％的原理图［１５］??在雪崩阶段，电子平行电场的平均漂移速度近似为３５Ｅ／ｐ?（ｍ／ｓ），以ＮＳＴＸ装置为??例（大半径为０．８５ｍ，小半径为０．６８ｍ），电予漂移到壁的时间大约为６ｍｓ。对离子而言，??其速度大约为〇．９Ｅ／ｐ?（ｍ／ｓ），对应漂移到壁．上的时间大约为１５０ｍｓ，囡此雪崩阶段二次??电离就不ＩＩ要。当Ｅ／ｐＸｘｌｏＶｎ＾Ｔｏｒｒ－１
发现两种启动模式：匹配模式（ｍａｔｃｈｅｄ?ｍｏｄｅ）和爬升模式（ｒａｍｐ?ｍｏｄｅ）。??这两种启动方式的物理图像都还不清楚。传统的ｍａｔｃｈｅ?ｍｏｄｅ启动过程的参数变化如??图１．１１所示。初始的环向磁场＆由极向线圈中的电流产生，环向的等离子体电流／＞??由感应的环电压％驱动，而环电压是由大环方向变化的磁场感应产生，之后靠近等??离子体外边界处的磁场反向。实验发现当等离子体电流＆达到峰值之后，反场分布可??以通过环向电场＆维持。因其类似于太阳物理学和天体物理学中场的产生过程，被??称作ｄｙｎａｍｏ行为。对于ＲＦＰ上箍缩位形的维持，根据Ｔａｙｌｏｒ的理论，该位形会驰豫??到一个最小能量态。匸〇１１３血［１（）９］等人利用Ｔａｙｌｏｒ理论研究了启动过程中的场分布情况，??１６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]托卡马克研究的现状及发展[J]. 李建刚. 物理. 2016(02)
[2]韩国的核聚变研究现状及发展战略[J]. 康卫红. 世界科技研究与发展. 2014(02)
[3]超导托卡马克工程研究概况[J]. 丁逸骁,朱银锋. 低温与超导. 2011(08)
[4]国际热核实验反应堆计划及其对中国核能发展战略的影响[J]. 潘垣,庄革,张明,王之江,丁永华,于克训. 物理. 2010(06)
[5]EAST全超导托卡马克等离子体击穿模拟[J]. 张馨予,肖炳甲,罗正平. 核电子学与探测技术. 2008(05)
[6]低杂波电流驱动下HT-7超导托卡马克逃逸电子行为[J]. 卢洪伟,胡立群,江勇,林士耀. 强激光与粒子束. 2008(05)
[7]我国磁约束聚变研究进展和展望[J]. 万宝年. 中国科学基金. 2008(01)
[8]EAST纯欧姆放电的数值模拟[J]. 刘成岳,肖炳甲,吴斌,刘连忠,罗正平. 核聚变与等离子体物理. 2007(04)
[9]我国超导托卡马克的现状及发展[J]. 李建刚. 中国科学院院刊. 2007(05)
[10]Physical Engineering Test and First Divertor Plasma Configuration in EAST[J]. 万宝年. Plasma Science and Technology. 2007(02)
博士论文
[1]KTX装置的概念设计和RFP电流启动阶段的实验研究[D]. 毛文哲.中国科学技术大学 2015
[2]J-TEXT托卡马克极向场控制策略及等离子体放电运行控制的研究和实现[D]. 邱胜顺.华中科技大学 2011
[3]J-TEXT托卡马克装置脉冲电源系统的实现及运行分析[D]. 张明.华中科技大学 2008
硕士论文
[1]J-TEXT托克马克电场漂移偏压电源研制[D]. 黄海.华中科技大学 2011
[2]J-TEXT托卡马克电场漂移电子注入电源系统的研制[D]. 刘德全.华中科技大学 2011
[3]EAST等离子体击穿的模拟[D]. 张馨予.合肥工业大学 2007
本文编号：3538118
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