【摘要】：磁約束聚變裝置中的中性束注入技術(shù)可以有效地加熱等離子體和驅(qū)動等離子體電流。負(fù)氫離子在引出的束能量較高時仍然可以保持很高的中性化效率,因此對未來的磁約束聚變堆中性束加熱技術(shù)將起到關(guān)鍵性的作用。負(fù)氫離子源中的關(guān)鍵問題之一是如何優(yōu)化負(fù)氫離子的產(chǎn)額。為了理解負(fù)氫離子的體產(chǎn)生機制,從而進(jìn)一步地改善負(fù)氫離子源的性能,需要一個經(jīng)過驗證的模型。與流體模擬和粒子模擬相比,整體模型忽略了等離子體參數(shù)的空間變化,所以更適合模擬包含復(fù)雜化學(xué)動力學(xué)過程的氫氣放電。此外,整體模型可以快速地評估不同反應(yīng)的重要性進(jìn)而簡化模型中的化學(xué)動力學(xué)過程。在放電氣壓較低的負(fù)氫離子源中,電子的動理學(xué)是非局域的,而負(fù)氫離子的產(chǎn)量依賴于電子的動理學(xué)。由于整體模型不包含電子動理學(xué)的信息,因此不同模型間的耦合以及與實驗測量的結(jié)合將有助于研究負(fù)氫離子源的放電特性。第一章介紹了負(fù)氫離子源的應(yīng)用背景、模擬研究進(jìn)展以及實驗研究進(jìn)展,并對現(xiàn)有研究中面臨的問題進(jìn)行了分析,最后提出本文將要研究的內(nèi)容。第二章利用整體模型耦合電磁場方程和線性動理學(xué)方程研究了射頻頻率、放電氣壓及線圈電流對感性電場分布和功率密度分布的影響,并揭示了反常趨膚效應(yīng)。結(jié)果表明,低氣壓、低射頻頻率以及低電流幅值更利于等離子體從射頻電場中吸收功率。這是因為在這些條件下,等離子體的密度更低,電場的穿透深度更大。此外,模型計算的電子密度和電子溫度與實驗測量值取得了合理的一致。第三章開發(fā)了適用于任意電子能量分布函數(shù)的整體模型,并在模型中耦合了氫原子加熱方程,研究了低氣壓情況下,電子能量分布函數(shù)對等離子體參數(shù)的影響。結(jié)果表明,在較低氣壓時,由于雙麥克斯韋分布包含更多的低能電子,進(jìn)而可以增加負(fù)氫離子的產(chǎn)額。此外,在兩種電子能量分布函數(shù)情況下評估了不同反應(yīng)對不同氫分子振動態(tài)的產(chǎn)生和損失的貢獻(xiàn)。最后,將模型計算的電子密度和電子溫度與他人的模擬結(jié)果和實驗結(jié)果進(jìn)行對比,取得了很好的一致。第四章對整體模型程序進(jìn)行了校準(zhǔn)以及實驗驗證。通過與他人開發(fā)的模型針對所有粒子密度和電子溫度進(jìn)行對比,得到了很好的一致。實驗的驗證主要是與其他學(xué)者基于電子回旋共振等離子體源測量的負(fù)氫離子密度進(jìn)行對比。模型計算和實驗測量取得了定性一致的結(jié)果。負(fù)氫離子的密度隨氣壓的增加而趨于飽和,這主要是因為冷電子的密度趨于飽和,進(jìn)而抑制了用于生成負(fù)氫離子的解離吸附過程。第五章先對復(fù)雜的氫分子振動動力學(xué)過程進(jìn)行分類,隨后利用整體模型對這些過程進(jìn)行詳細(xì)地評估和簡化,并假設(shè)氫分子振動態(tài)與器壁碰撞后退激發(fā)到任意較低態(tài)的幾率是相等的,推導(dǎo)出可以快速計算氫分子振動分布的簡化模型。結(jié)果表明,平均化的退激發(fā)幾率幾乎不影響氫分子的振動分布。簡化模型與整體模型計算的氫分子振動分布符合的很好。最后,對本文的研究進(jìn)行了總結(jié)以及對今后將開展的工作進(jìn)行了展望。
【圖文】：

種是磁約束［４］。目前，使用磁約束的方法來約束高溫帶電粒子更為常見。通過巧妙地設(shè)逡逑計磁場位形，，可使帶電粒子沿著磁力線運動，進(jìn)而避免與容器表面接觸。磁約束聚變裝逡逑置主要有托卡馬克［１］、仿星器［５］及反向場箍縮［６］等。圖１．２顯示的是托卡馬克裝置的示意逡逑圖［７］。外部線圈產(chǎn)生的環(huán)向磁場與等離子體電流產(chǎn)生的極向磁場組成了螺旋狀的封閉磁逡逑面，其可有效地將等離子體約束在磁面內(nèi)部，從而使等離子體沿著磁力線運動。逡逑中心螺線Q戝危沓∠呷﹀義蟬E丨１１逡逑環(huán)向場線圈邐＼逡逑等離子體（流表面）逡逑圖１．２托卡馬克裝置磁場位形的示意圖［７］逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ邋ｉｎ邋ａ邋Ｔｏｋａｍａｋ邋＇逡逑－２邋－逡逑

加熱相比于其他加熱方式具有更大的競爭力［１１］。逡逑１．２中性束加熱逡逑ＮＢＩ加熱的本質(zhì)是將高能中性粒子（主要是氫和氘）注入到聚變等離子體中。圖１．３逡逑顯示的是ＮＢＩ系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖１７］。在ＮＢＩ系統(tǒng)中，需要一系列的步驟來產(chǎn)生高能中性逡逑粒子。首先，在一個離子源中（正離子源或負(fù)離子源），氫氣和氘氣被電離。通過加速逡逑系統(tǒng)可以把這些被電離的粒子從等離子體源中提取出來。然后，在一個氣體反應(yīng)室中，逡逑對正離子通過電荷交換或?qū)ω?fù)離子通過電子剝離來中性化這些被引出的離子。其次，通逡逑過離子偏轉(zhuǎn)線圈將中性束中殘留的離子過濾出來。最終，將過濾后的中性束粒子注入到逡逑聚變裝置中加熱等離子體。在聚變等離子體中，中性粒子將經(jīng)歷兩種碰撞。逡逑－３邋－逡逑
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O53;TL631

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 潘傳紅;;國際熱核實驗反應(yīng)堆(ITER)計劃與未來核聚變能源[J];物理;2010年06期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 張哲;大功率負(fù)氫離子源中H~-離子表面產(chǎn)生及引出過程的數(shù)值模擬研究[D];華中科技大學(xué);2018年

2 李小飛;大功率射頻負(fù)氫離子源中的等離子體診斷與輸運過程研究[D];華中科技大學(xué);2015年

3 楊超;基于負(fù)氫離子源的全三維PIC/MCC數(shù)值模擬算法研究[D];電子科技大學(xué);2012年

本文編號：2624781