托卡马克等离子体高热流下钨表面损伤行为研究
发布时间：2021-01-20 16:06
钨由于其氚滞留率低和优异的抗辐照性能,已被未来聚变装置如ITER、CFETR等选为面对等离子材料,并应用于高热流粒子流挑战最严峻的偏滤器区域。为了在托卡马克放电过程中获得更高品质的等离子体,同时延长材料部件的使用寿命,必须理解钨表面的损伤行为和机理并寻求解决方法。本文基于高热负荷实验测试结果和实际托卡马克装置内钨的表面损伤现象,采用有限元方法,并辅以红外、探针等热流诊断对托卡马克高热流下的钨表面损伤行为进行了研究。首先,针对EAST偏滤器,开展热流诊断与分析;随后基于理论,分析钨材料部件在稳态热流和瞬态热流作用下的热结构响应及损伤行为阈值;最后针对EAST偏滤器靶板表面出现的熔化和开裂行为,进行了解释和预测。论文主要工作和创新如下:在托卡马克偏滤器靶板钨表面热流诊断方面,基于一套位于EAST H窗口的上钨偏滤器外靶板高时空分辨大量程（～3 mm/pixel,1000-3000 Hz,0-2500℃）红外热成像诊断系统。根据红外测温数据,采用有限元类比方法,对靶板表面的长脉冲稳态和周期性瞬态热流进行了有效的计算,分析过程考虑了瓦块表面温度的环向不均匀性、偏滤器靶板热流分布的环向不对称性以...
【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】：140 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１托卡马克装置基本结构Ｍ??２??
?第一章引言???１．１．２托卡马克装置??在众多的磁约束聚变装置中，托卡马克装置自从提出后就受到广泛的关注，??现如今己是聚变界的主流研宄方向。图１．１是托卡马克的结构示意图，其核心部??件分别是环向场线圈、极向场线圈、中心螺线管和真空室。此外一个完整的托??卡马克实验装置一般还配备有辅助加热、等离子体诊断、反馈控制、抽气和加??料等子系统，从而满足在真空强磁场环境下对等离子体进行加热、诊断和控制??的实验需求。??孓?ＴＦＴＲ＊?〇，＾＾ｌｂ＾Ｌ＃ＪＥＴ．?？ＴＦＴＲ??Ｅ?１－?ＡＬＣ－Ｃ＊?ＪＴ－６０＊?；ｉ??－ＷＬ?严??ｃ－?Ｂｅｆｔｃｔｏｒ－ｒｄｅｖａｎｔ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ＃?＾Ｄｌｔｌ－Ｄ?—?１９Ｓ０??Ｉ?０１?－?ＡＳＤＥＸ．＾＾?＾ＢＸ?＃ｔＥＸＴ〇Ｒ??Ｉ?ｐｌｔ＊?＾?＇?ｖＷ??．％?Ｔｔ〇＊?ｆｍ??￡?０．０１－?ＴＦＲｊ??？?Ｄ－Ｄ?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ?｜?一??〇?Ｆｕｌｌ?０－Ｔ?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ???ＢＷ＾ｇｊ?１９６５??０．１?ｔ?１０?１００??Ｃｅｎｔｒａｌ?Ｉｏｎ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?Ｔ＊?（ｋｅＶ）??图１．２过去５０年各装置聚变三重积的进步情况【１１］??托卡马克装置的环向磁场５？，是由均匀分布在真空室圆周上的环向场线圈??生成的，其与大半径尺会因为装置的特殊几何形状，有以下关系：??Ｂｌｏｒ＾ｊ?（１－３）??可见越靠近环轴内侧的磁场越强，所以靠内磁场又被称为高场侧（ｈｉｇｈ?ｆｉｅｌｄ??ｓｉｄｅ，ＨＦＳ），而靠外磁场被称为低场侧（ｌｏｗ?ｆｉｅｌｄ?ｓｉｄｅ，ＬＦＳ），这种不均勾的??环向
?第一章引言???Ｄ＿Ｔ等离子体的自持“燃烧”和通过托卡马克装置来实现可控核聚变的科学可行??性【１１。该项目启动于１９８５年，随后２００３年中国加入，至今己有近４０年的历史，??主要成员国是中国、欧盟、日本、美国、俄罗斯、韩国和印度。在表Ｕ中列出??了?ＩＴＥＲ与国内外主要装置的参数。??１．２面对等离子体材料??聚变等离子体上亿度的高温在地球上目前没有任何材料能够承受，所以必??须要将中心的高温等离子体与真空室壁分隔开。分隔方法主要有如图１．３所示：??即限制器（ｌｉｍｉｔｅｒ）和偏滤器（ｄｉｖｅｒｔｏｒ）。其中限制器通过与主等离子体边缘相??切，将等离子体分成以切面为界两个区域，切面位置的磁面就是最外闭合磁面??（Ｌａｓｔ?Ｃｌｏｓｅｄ?Ｆｌｕｘ?Ｓｕｒｆａｃｅ，?ＬＣＦＳ），ＬＣＦＳ内部先是靠外的边界等离子体然后??是越靠内参数越大的主等离子体，ＬＣＦＳ外部是刮削层（Ｓｃｒａｐｐｅｄ－Ｏｆｆ?Ｌａｙｅｒ，ＳＯＬ）??。此外就是通过偏滤器将磁面分界，通常采用具有一个或者两个Ｘ点的位形，??这时磁分界面就是ＬＣＦＳ，它可以避免高温等离子体与第一壁材料直接接触。大??多数的粒子以及热量都被引导至偏滤器区域，让热流和粒子流轰击到特定的靶??板上，并且偏滤器的特殊磁场结构也能够使得源于靶板的杂质难以重回主等离??子体区域［２１。??Ｓ？ｐ？ｒａ！ｒ，＞??Ｓ？Ｐ？ｒ？ｔｎ？??ｏ．??Ｄｉｖｅｒｔｏｆ?Ｔａｒｇｅｔ?Ｐｎｖｔｌｅ?Ｒｅｇｉｏｎ??（ａ）?（ｂ）??图１．３托卡马克的两种磁位形。（ａ）限制器；（ｂ）偏滤器。??１．２．１等离子体与壁相互作用??高温等离子体与材料接触会对材料表面造成很大
【参考文献】：
期刊论文
[1]Thermal analysis on the EAST tungsten plasma facing components with shaping structure counteracting the misalignment issues[J]. 王保国,朱大焕,丁锐,陈俊凌. Plasma Science and Technology. 2017(02)
[2]ITER偏滤器W/Cu单体模块热-结构模拟与分析[J]. 薛奎,陈俊凌,朱大焕. 核聚变与等离子体物理. 2013(04)
[3]聚变堆中面向等离子体材料的研究进展[J]. 张小锋,刘维良,郭双全,姜林文. 科技创新导报. 2010(03)
博士论文
[1]EAST第一壁热负荷测量及功率平衡研究[D]. 刘煜锴.中国科学技术大学 2019
[2]EAST钨偏滤器探针诊断系统研制及靶板热流粒子流实验研究[D]. 许吉禅.中国科学技术大学 2019
本文编号：2989350
【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】：140 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１托卡马克装置基本结构Ｍ??２??
?第一章引言???１．１．２托卡马克装置??在众多的磁约束聚变装置中，托卡马克装置自从提出后就受到广泛的关注，??现如今己是聚变界的主流研宄方向。图１．１是托卡马克的结构示意图，其核心部??件分别是环向场线圈、极向场线圈、中心螺线管和真空室。此外一个完整的托??卡马克实验装置一般还配备有辅助加热、等离子体诊断、反馈控制、抽气和加??料等子系统，从而满足在真空强磁场环境下对等离子体进行加热、诊断和控制??的实验需求。??孓?ＴＦＴＲ＊?〇，＾＾ｌｂ＾Ｌ＃ＪＥＴ．?？ＴＦＴＲ??Ｅ?１－?ＡＬＣ－Ｃ＊?ＪＴ－６０＊?；ｉ??－ＷＬ?严??ｃ－?Ｂｅｆｔｃｔｏｒ－ｒｄｅｖａｎｔ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ＃?＾Ｄｌｔｌ－Ｄ?—?１９Ｓ０??Ｉ?０１?－?ＡＳＤＥＸ．＾＾?＾ＢＸ?＃ｔＥＸＴ〇Ｒ??Ｉ?ｐｌｔ＊?＾?＇?ｖＷ??．％?Ｔｔ〇＊?ｆｍ??￡?０．０１－?ＴＦＲｊ??？?Ｄ－Ｄ?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ?｜?一??〇?Ｆｕｌｌ?０－Ｔ?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ???ＢＷ＾ｇｊ?１９６５??０．１?ｔ?１０?１００??Ｃｅｎｔｒａｌ?Ｉｏｎ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?Ｔ＊?（ｋｅＶ）??图１．２过去５０年各装置聚变三重积的进步情况【１１］??托卡马克装置的环向磁场５？，是由均匀分布在真空室圆周上的环向场线圈??生成的，其与大半径尺会因为装置的特殊几何形状，有以下关系：??Ｂｌｏｒ＾ｊ?（１－３）??可见越靠近环轴内侧的磁场越强，所以靠内磁场又被称为高场侧（ｈｉｇｈ?ｆｉｅｌｄ??ｓｉｄｅ，ＨＦＳ），而靠外磁场被称为低场侧（ｌｏｗ?ｆｉｅｌｄ?ｓｉｄｅ，ＬＦＳ），这种不均勾的??环向
?第一章引言???Ｄ＿Ｔ等离子体的自持“燃烧”和通过托卡马克装置来实现可控核聚变的科学可行??性【１１。该项目启动于１９８５年，随后２００３年中国加入，至今己有近４０年的历史，??主要成员国是中国、欧盟、日本、美国、俄罗斯、韩国和印度。在表Ｕ中列出??了?ＩＴＥＲ与国内外主要装置的参数。??１．２面对等离子体材料??聚变等离子体上亿度的高温在地球上目前没有任何材料能够承受，所以必??须要将中心的高温等离子体与真空室壁分隔开。分隔方法主要有如图１．３所示：??即限制器（ｌｉｍｉｔｅｒ）和偏滤器（ｄｉｖｅｒｔｏｒ）。其中限制器通过与主等离子体边缘相??切，将等离子体分成以切面为界两个区域，切面位置的磁面就是最外闭合磁面??（Ｌａｓｔ?Ｃｌｏｓｅｄ?Ｆｌｕｘ?Ｓｕｒｆａｃｅ，?ＬＣＦＳ），ＬＣＦＳ内部先是靠外的边界等离子体然后??是越靠内参数越大的主等离子体，ＬＣＦＳ外部是刮削层（Ｓｃｒａｐｐｅｄ－Ｏｆｆ?Ｌａｙｅｒ，ＳＯＬ）??。此外就是通过偏滤器将磁面分界，通常采用具有一个或者两个Ｘ点的位形，??这时磁分界面就是ＬＣＦＳ，它可以避免高温等离子体与第一壁材料直接接触。大??多数的粒子以及热量都被引导至偏滤器区域，让热流和粒子流轰击到特定的靶??板上，并且偏滤器的特殊磁场结构也能够使得源于靶板的杂质难以重回主等离??子体区域［２１。??Ｓ？ｐ？ｒａ！ｒ，＞??Ｓ？Ｐ？ｒ？ｔｎ？??ｏ．??Ｄｉｖｅｒｔｏｆ?Ｔａｒｇｅｔ?Ｐｎｖｔｌｅ?Ｒｅｇｉｏｎ??（ａ）?（ｂ）??图１．３托卡马克的两种磁位形。（ａ）限制器；（ｂ）偏滤器。??１．２．１等离子体与壁相互作用??高温等离子体与材料接触会对材料表面造成很大
【参考文献】：
期刊论文
[1]Thermal analysis on the EAST tungsten plasma facing components with shaping structure counteracting the misalignment issues[J]. 王保国,朱大焕,丁锐,陈俊凌. Plasma Science and Technology. 2017(02)
[2]ITER偏滤器W/Cu单体模块热-结构模拟与分析[J]. 薛奎,陈俊凌,朱大焕. 核聚变与等离子体物理. 2013(04)
[3]聚变堆中面向等离子体材料的研究进展[J]. 张小锋,刘维良,郭双全,姜林文. 科技创新导报. 2010(03)
博士论文
[1]EAST第一壁热负荷测量及功率平衡研究[D]. 刘煜锴.中国科学技术大学 2019
[2]EAST钨偏滤器探针诊断系统研制及靶板热流粒子流实验研究[D]. 许吉禅.中国科学技术大学 2019
本文编号：2989350
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