【摘要】：大型磁約束聚變裝置,比如ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor),需要中性束注入(Neutral Beam Injection,NBI)系統(tǒng)來進(jìn)行輔助加熱和提供驅(qū)動(dòng)電流。為了能穿透到聚變等離子體中心區(qū)域并提供有效的驅(qū)動(dòng)電流,中性束粒子的能量需達(dá)到1 Me V以上。中性束粒子通常由加速后的高能離子中性化得到,但在如此高的能量下,正離子束的中和效率已經(jīng)接近于0,而負(fù)離子束的中和效率仍在60%以上。因此,基于負(fù)離子源的NBI系統(tǒng)是ITER等大型磁約束聚變裝置的必然選擇。目前可用于ITER裝置NBI系統(tǒng)的負(fù)氫離子源主要是射頻(RF)源和弧放電燈絲源兩種。RF負(fù)氫離子源與弧放電燈絲源相比,雖然結(jié)構(gòu)和原理更為復(fù)雜,但是不需使用燈絲,可以長期無維護(hù)運(yùn)行,且可以在放電過程中遠(yuǎn)程操作。2007年,RF負(fù)氫離子源被正式選為ITER參考源。我國目前開展的China Fusion Engineering Test Reactor(CFETR)項(xiàng)目也急需對(duì)RF負(fù)氫離子源進(jìn)行深入的研究和探索。RF負(fù)氫離子源的結(jié)構(gòu)原理十分復(fù)雜,目前對(duì)于其工作原理并沒有十分清楚全面的認(rèn)識(shí),還有很多關(guān)鍵問題有待解決。其中氫負(fù)離子的表面產(chǎn)生過程,引出系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及引出束流品質(zhì)的分析是負(fù)氫離子源研究中最重要的關(guān)鍵問題。本文依托華中科技大學(xué)(HUST)負(fù)氫離子源項(xiàng)目,分別對(duì)以上三個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬。論文的主要內(nèi)容分為四個(gè)部分:第一部分是理論基礎(chǔ),闡述了負(fù)氫離子表面產(chǎn)生和引出機(jī)制,并針對(duì)這兩個(gè)過程介紹了相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法,給出了Particle-in-cell Monte Carlo collision(PIC-MCC)算法和Vlasov-Poisson迭代算法的原理特點(diǎn)和基本步驟。第二部分是負(fù)氫離子表面產(chǎn)生過程的數(shù)值研究。分別采用解析模型和PIC-MCC數(shù)值方法對(duì)等離子體柵極表面的鞘層區(qū)域進(jìn)行了分析計(jì)算,提出了離子-離子反鞘層模型,并用反鞘層模型解釋了負(fù)氫離子源中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,提出可以通過增加正離子密度來增加負(fù)氫離子源的引出電流。證明了在強(qiáng)負(fù)離子表面發(fā)射的條件下離子-離子等離子體可以穩(wěn)定存在,并根據(jù)離子-離子反鞘層的特點(diǎn)分析了離子-離子等離子體的不穩(wěn)定性原因。第三部分是負(fù)氫離子源引出系統(tǒng)的數(shù)值研究。結(jié)合引出系統(tǒng)的特點(diǎn),基于Vlasov-Poisson迭代算法,建立了能用于負(fù)氫離子源引出系統(tǒng)模擬計(jì)算的物理模型,開發(fā)了相關(guān)的程序算法。用Child定律的簡單模型,驗(yàn)證了整個(gè)程序在考慮空間電荷效應(yīng)時(shí)的正確性,并進(jìn)行了誤差分析。程序通過引入新增節(jié)點(diǎn)的方法,實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜邊界形狀的描述,并用引出系統(tǒng)電場的計(jì)算驗(yàn)證了新增節(jié)點(diǎn)方法計(jì)算復(fù)雜邊界的正確性。第四部分是引出束流品質(zhì)的分析計(jì)算。采用第四章的數(shù)值算法和計(jì)算程序,分析了負(fù)氫離子源引出系統(tǒng)中的引出電壓,偏轉(zhuǎn)磁場等因素對(duì)引出束流品質(zhì)的影響。在給定等離子體參數(shù)和引出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)情況下,得到了最優(yōu)引出電壓和偏轉(zhuǎn)磁場,為HUST負(fù)氫離子源引出系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。
【圖文】：

ITER）”計(jì)劃，中國也參與其中[6]。ITER 計(jì)劃的目標(biāo)是在地球上實(shí)現(xiàn)可的應(yīng)用。2 聚變裝置與 NBI 系統(tǒng)聚變反應(yīng)所需的溫度在 1 億度以上，這就帶來了兩方面的難題：一個(gè)是如何高溫度的粒子，另一個(gè)是如何加熱粒子達(dá)到這樣的高溫[5,7]。目前在約束高溫帶電粒子方面，最常用的方法就是磁約束。經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的的磁場位形，可以使帶電粒子沿磁力線運(yùn)動(dòng)，不接觸容器表面。磁約束聚變星器、托卡馬克（Tokamak）和反場箍縮等[5,8-9]。仿星器的基本結(jié)構(gòu)如圖 1.1（，通過在真空室外壁纏繞螺旋繞組，使磁力線發(fā)生旋轉(zhuǎn)變化； Tokamak 的如圖 1.1（右）所示，通過在環(huán)形等離子體中通以電流來產(chǎn)生極向磁場，該縱向場可以合成旋轉(zhuǎn)變化的螺旋磁場。Tokamak 是“磁線圈圓環(huán)室”的俄文縮環(huán)流器。由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、迄今的投資最大，因此取得了最大的進(jìn)展，常用的約束聚變等離子體的方法。

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文子加熱方面，主要的輔助加熱手段包括四種：低雜波加熱、離子回波加熱和中性束注入（Neutral Beam Injector, NBI）加熱[8,10-12]。約束聚變裝置中加熱效率最高、物理機(jī)制最清楚且最具前景的等離。該方法通過向等離子體中注入高能量的中性粒子束，將能量傳遞方法不僅可以加熱真空腔室中的等離子體，，還可以提供環(huán)向電流，為的極向磁場。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TL631

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

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3 趙祥學(xué);穩(wěn)態(tài)中性束注入器束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 鞠國良;核聚變負(fù)氫離子源引出部分?jǐn)?shù)值模擬[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

2 平學(xué)偉;有限元模擬及有限元方程的快速解技術(shù)在電磁場中的應(yīng)用[D];南京理工大學(xué);2004年

本文編號(hào)：2612889