聚变等离子体中离子回旋频段下射频鞘的流体动力学分析
发布时间：2022-01-21 13:04
离子回旋共振加热是托卡马克中主要辅助加热手段之一,并在实验中取得了广泛成功。然而,离子回旋波驱动的射频鞘会导致强烈的等离子体与边界材料的相互作用,引起杂质溅射、边界功率损失、热斑等一系列负面效应和问题,不仅改变边界等离子体参数,影响等离子体性能,而且会对材料造成损伤,缩短材料寿命。因此,研究离子回旋加热下的射频鞘特性以及射频鞘对功率耗散和杂质溅射的影响,对提高离子回旋加热效率,延长相关部件寿命,控制主约束区的杂质水平等有着重要意义。本文基于流体模型并结合等效电路模型,发展了一个适合描述聚变等离子体中离子回旋频段下的一维无碰撞射频等离子体鞘层模型。流体模型中包含了高能离子成分以及杂质离子成分,并且考虑了离子温度对鞘层结构的影响,而材料表面的瞬态电势和鞘层厚度的关系则通过等效电路模型自洽地确定。模拟结果表明,由离子回旋加热引起的扰动电流的大小和频率、等离子体参量对鞘层结构有很大的影响。鞘层电势随扰动电流振幅的增大而增大,随频率的增大而减小。等离子体密度,背景离子温度,以及高能离子能量或浓度增大时会导致鞘层电势降低。对于轻杂质离子,其浓度在托卡马克边界区域通常是百分之几以下的量级,在这种条件...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?ＥＡＳＴ装置及ＥＡＳＴ主机结构示意图??１．２托卡马克中的离子回旋波加热??
?第１章绪论???率范围为几个ＧＨｚ量级，频率介于离子回旋频率与电子回旋频率之间。相应的??加热方式则分别为离子回旋波加热（ＩＣＲＨ）、电子回旋波加热（ＥＣＲＨ）和低混??杂波加热（ＬＨＣＤ）。图１．３给出了?ＥＡＳＴ装置中各辅助加热系统及其分布［５］。与??ＩＴＥＲ类似，ＥＡＳＴ具有以射频波加热为主，低动量注入的特点。??ＬＨＣＤ??ｗ?（４．６ＧＨｚ）??夺?二?６ＭＷ??ＮＢＩ￣８ＭＷ?ｒ＾／Ｌ＋ｊＴＶ＾Ｎ??ＬＨＣＤ１０ＭＷ?Ｍ?ＬＨＣＤ??ＩＣＲＦ?１２ＩＳＩＷ?ＥＣＲＨ?（２．４５ＧＨｚ）??ＥＣＲＨ?４Ｍ＾?（１ｌ°ｎｖＺ）?４Ｍ＇Ｖ??图１．３?ＥＡＳＴ中各辅助加热系统及其分布??由于离子回旋加热［＆２５］具有加热功率及加热效率高，天线系统比较容易设计??实现、造价低等优点［２５］，而且离子回旋波不仅可以有效加热离子，也可以直接??加热电子，还可以实现等离子体芯部电流驱动，因此离子回旋波加热在托卡马克??实验中得到了广泛应用，如韩国的ＫＳＴＡＲ、德国的ＡＳＤＥＸ－Ｕ、欧盟的ＪＥＴ、法??国的ＷＥＳＴ等均装备了离子回旋加热系统。ＩＴＥＲ建成初期的离子回旋加热功率??计划为２０?ＭＷ，后期计划升级到４０?ＭＷ。离子回旋加热也是ＥＡＳＴ的主要辅??助加热手段之一。ＥＡＳＴ的离子回旋波加热系统主要包括发射机、传输线、匹配??网络、天线等部分［２６，２７］。射频波发射机由信号源、固态放大器、功率驱动放大器??和末级放大器构成［２６］。信号源发射的射频波经三级放大器放大后输出功率可达??１．５ＭＷ，?ＥＡＳＴ中有８台射频波发射机，因此总的最大输出功率为８Ｘ１．５ＭＷ。??发射机的工作频率为
?第１章绪论???天线，Ｉ窗口为折叠型的四电流带天线，如图１．５所示，每个天线接４台发射机，??输入功率为４Ｘ１．５ＭＷ。离子回旋加热在ＥＡＳＴ等托卡马克实验中取得了广泛成??功，２０１３年，ＥＡＳＴ在单独使用离子回旋加热条件下获得了高约束模等离子体［２８］，??如图１．６所示，ＩＣＲＨ注入功率为１．７ＭＷ，Ｌ－Ｈ模转换发生在储能和电子密度??连续增长的阶段，等离子体在３．４?ｓ达到Ｈ模，并持续至６．８５?ｓ。电子密度的变??化和远紫外（ＸＵＶ）辐射的增强证明了台基区的形成。此外，与单独使用低杂??波加热时导致等离子体芯部电子温度降低不同，单独使用离子回旋加热时芯部电??子温度升高了约３００ｅＶ，离子温度升高了约３００ｅＶ，环向旋转增加了约２０ｋｍ／ｓ，??如图１．７所示［２８］。??波纹管??天线ｉ；架结构真空馈ｎ??电流带??图１．５?ＥＡＳＴ中位于Ｂ窗口的双电流带天线（左图）和位于１窗口的四电流带天线??（右图）??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]受控热核聚变研究进展[J]. 杨青巍,丁玄同,严龙文,钟武律. 中国核电. 2019(05)
[2]中国ITER计划采购包进展[J]. 罗德隆,宋云涛,段旭如,房同珍,何开辉,黄素贞,傅鹏,武玉,陆坤,卫靖,杨青巍,钟光武,赵君煜,胡立群,谌继明,李鹏远,李波,王英翘,沈光. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2019(04)
[3]EAST全超导托卡马克高约束稳态运行实验研究进展[J]. 万宝年,徐国盛. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2019(04)
[4]受控核聚变的挑战机遇与现状[J]. 李博西. 科技创新导报. 2019(03)
[5]CFETR物理与工程研究进展[J]. 高翔,万宝年,宋云涛,李建刚,万元熙. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2019(04)
[6]射频损耗下EAST四电流带ICRF天线电流带热-结构分析[J]. 宋伟,杨庆喜,宋云涛,秦成明,赵燕平,张新军. 核科学与工程. 2017(06)
[7]托卡马克研究的现状及发展[J]. 李建刚. 物理. 2016(02)
[8]EAST超导托卡马克[J]. 万宝年,徐国盛. 科学通报. 2015(23)
[9]Collisional Sheath in the Electronegative Radio-Frequency Plasma[J]. 甘宝霞,邓文隽,陈银华. Plasma Science and Technology. 2007(04)
[10]射频等离子体鞘层动力学模型[J]. 戴忠玲,王友年,马腾才. 物理学报. 2001(12)
博士论文
[1]EAST离子回旋天线测量及天线与边界等离子体相互作用的研究[D]. 王健华.中国科学技术大学 2018
[2]聚变等离子体鞘层中尘埃颗粒的特性研究[D]. 赵晓云.中国科学技术大学 2017
[3]EAST上离子回旋天线与等离子体的耦合研究[D]. 张珈珲.中国科学技术大学 2017
[4]ICRH天线系统与等离子体相互作用的理论研究[D]. 杜丹.南华大学 2015
[5]托卡马克中离子回旋天线的相关理论研究[D]. 杨桦.中国科学技术大学 2015
[6]托卡马克边缘等离子体丝状结构输运的研究[D]. 聂林.中国科学技术大学 2015
[7]射频及脉冲偏压等离子体鞘层流体动力学模拟[D]. 戴忠玲.大连理工大学 2004
本文编号：3600314
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?ＥＡＳＴ装置及ＥＡＳＴ主机结构示意图??１．２托卡马克中的离子回旋波加热??
?第１章绪论???率范围为几个ＧＨｚ量级，频率介于离子回旋频率与电子回旋频率之间。相应的??加热方式则分别为离子回旋波加热（ＩＣＲＨ）、电子回旋波加热（ＥＣＲＨ）和低混??杂波加热（ＬＨＣＤ）。图１．３给出了?ＥＡＳＴ装置中各辅助加热系统及其分布［５］。与??ＩＴＥＲ类似，ＥＡＳＴ具有以射频波加热为主，低动量注入的特点。??ＬＨＣＤ??ｗ?（４．６ＧＨｚ）??夺?二?６ＭＷ??ＮＢＩ￣８ＭＷ?ｒ＾／Ｌ＋ｊＴＶ＾Ｎ??ＬＨＣＤ１０ＭＷ?Ｍ?ＬＨＣＤ??ＩＣＲＦ?１２ＩＳＩＷ?ＥＣＲＨ?（２．４５ＧＨｚ）??ＥＣＲＨ?４Ｍ＾?（１ｌ°ｎｖＺ）?４Ｍ＇Ｖ??图１．３?ＥＡＳＴ中各辅助加热系统及其分布??由于离子回旋加热［＆２５］具有加热功率及加热效率高，天线系统比较容易设计??实现、造价低等优点［２５］，而且离子回旋波不仅可以有效加热离子，也可以直接??加热电子，还可以实现等离子体芯部电流驱动，因此离子回旋波加热在托卡马克??实验中得到了广泛应用，如韩国的ＫＳＴＡＲ、德国的ＡＳＤＥＸ－Ｕ、欧盟的ＪＥＴ、法??国的ＷＥＳＴ等均装备了离子回旋加热系统。ＩＴＥＲ建成初期的离子回旋加热功率??计划为２０?ＭＷ，后期计划升级到４０?ＭＷ。离子回旋加热也是ＥＡＳＴ的主要辅??助加热手段之一。ＥＡＳＴ的离子回旋波加热系统主要包括发射机、传输线、匹配??网络、天线等部分［２６，２７］。射频波发射机由信号源、固态放大器、功率驱动放大器??和末级放大器构成［２６］。信号源发射的射频波经三级放大器放大后输出功率可达??１．５ＭＷ，?ＥＡＳＴ中有８台射频波发射机，因此总的最大输出功率为８Ｘ１．５ＭＷ。??发射机的工作频率为
?第１章绪论???天线，Ｉ窗口为折叠型的四电流带天线，如图１．５所示，每个天线接４台发射机，??输入功率为４Ｘ１．５ＭＷ。离子回旋加热在ＥＡＳＴ等托卡马克实验中取得了广泛成??功，２０１３年，ＥＡＳＴ在单独使用离子回旋加热条件下获得了高约束模等离子体［２８］，??如图１．６所示，ＩＣＲＨ注入功率为１．７ＭＷ，Ｌ－Ｈ模转换发生在储能和电子密度??连续增长的阶段，等离子体在３．４?ｓ达到Ｈ模，并持续至６．８５?ｓ。电子密度的变??化和远紫外（ＸＵＶ）辐射的增强证明了台基区的形成。此外，与单独使用低杂??波加热时导致等离子体芯部电子温度降低不同，单独使用离子回旋加热时芯部电??子温度升高了约３００ｅＶ，离子温度升高了约３００ｅＶ，环向旋转增加了约２０ｋｍ／ｓ，??如图１．７所示［２８］。??波纹管??天线ｉ；架结构真空馈ｎ??电流带??图１．５?ＥＡＳＴ中位于Ｂ窗口的双电流带天线（左图）和位于１窗口的四电流带天线??（右图）??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]受控热核聚变研究进展[J]. 杨青巍,丁玄同,严龙文,钟武律. 中国核电. 2019(05)
[2]中国ITER计划采购包进展[J]. 罗德隆,宋云涛,段旭如,房同珍,何开辉,黄素贞,傅鹏,武玉,陆坤,卫靖,杨青巍,钟光武,赵君煜,胡立群,谌继明,李鹏远,李波,王英翘,沈光. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2019(04)
[3]EAST全超导托卡马克高约束稳态运行实验研究进展[J]. 万宝年,徐国盛. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2019(04)
[4]受控核聚变的挑战机遇与现状[J]. 李博西. 科技创新导报. 2019(03)
[5]CFETR物理与工程研究进展[J]. 高翔,万宝年,宋云涛,李建刚,万元熙. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2019(04)
[6]射频损耗下EAST四电流带ICRF天线电流带热-结构分析[J]. 宋伟,杨庆喜,宋云涛,秦成明,赵燕平,张新军. 核科学与工程. 2017(06)
[7]托卡马克研究的现状及发展[J]. 李建刚. 物理. 2016(02)
[8]EAST超导托卡马克[J]. 万宝年,徐国盛. 科学通报. 2015(23)
[9]Collisional Sheath in the Electronegative Radio-Frequency Plasma[J]. 甘宝霞,邓文隽,陈银华. Plasma Science and Technology. 2007(04)
[10]射频等离子体鞘层动力学模型[J]. 戴忠玲,王友年,马腾才. 物理学报. 2001(12)
博士论文
[1]EAST离子回旋天线测量及天线与边界等离子体相互作用的研究[D]. 王健华.中国科学技术大学 2018
[2]聚变等离子体鞘层中尘埃颗粒的特性研究[D]. 赵晓云.中国科学技术大学 2017
[3]EAST上离子回旋天线与等离子体的耦合研究[D]. 张珈珲.中国科学技术大学 2017
[4]ICRH天线系统与等离子体相互作用的理论研究[D]. 杜丹.南华大学 2015
[5]托卡马克中离子回旋天线的相关理论研究[D]. 杨桦.中国科学技术大学 2015
[6]托卡马克边缘等离子体丝状结构输运的研究[D]. 聂林.中国科学技术大学 2015
[7]射频及脉冲偏压等离子体鞘层流体动力学模拟[D]. 戴忠玲.大连理工大学 2004
本文编号：3600314
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