大功率射頻負(fù)氫離子源中的等離子體診斷與輸運(yùn)過程研究.pdf

1、中性束注入(Neutral Beam Injector，NBI)是國際受控?zé)岷司圩兌?International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER)主要的輔助加熱方式之一，而高性能負(fù)離子源(Negative Ion source，NI)是中性束系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一個部分。根據(jù)ITER的設(shè)計(jì)要求，負(fù)離子源中需要引出48A的H-(或40A的D-)，如此大的負(fù)離子電流，對于目前的離子源技術(shù)來說是一個很

2、大的挑戰(zhàn)。德國等離子物理研究所(IPP)在其小型實(shí)驗(yàn)平臺“BATMAN”裝置上采用了過濾磁場技術(shù)，達(dá)到了引出的負(fù)氫離子電流為300A/m2，D2為工作氣體時引出的負(fù)離子電流為200A/m2，引出的電子與負(fù)離子比例小于1，功率脈沖時間為6s的優(yōu)良性能，證明了過濾磁場技術(shù)在負(fù)氫離子源上應(yīng)用的可行性。過濾磁場的作用是將激勵段產(chǎn)生的10eV以上的高溫電子冷卻到1eV以下，以減少引出柵極附近的負(fù)離子的損失。有關(guān)過濾磁場的作用機(jī)制至今仍不完全清楚，

3、過濾磁場的設(shè)計(jì)強(qiáng)烈依賴于試驗(yàn)。如果能夠清楚地理解等離子體在過濾磁場中的輸運(yùn)過程，就可以對過濾磁場的設(shè)計(jì)提出明確的理論依據(jù)，并與激勵段的優(yōu)化相結(jié)合，從而對整個負(fù)離子源的結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化，提高負(fù)離子源的整體性能。目前，所有關(guān)于過濾磁場的研究都是實(shí)驗(yàn)性的，IPP為了尋找過濾磁場的最優(yōu)設(shè)計(jì)仍然在“BATMAN”裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。華中科技大學(xué)(Huazhong University of Science and Technology，HUST)于201

4、1年9月在科技部的支持下，承擔(dān)了“ITER高頻負(fù)離子源激勵器的關(guān)鍵技術(shù)與工程研究”的項(xiàng)目，目標(biāo)是研制一臺類似于BATMAN的單激勵器、短脈沖工作模式實(shí)驗(yàn)裝置。在HUST目前的工作基礎(chǔ)上，進(jìn)行了過濾磁場的初步設(shè)計(jì)，并采用 PIC/MC(Particle-in-cell/Monte Carlo)數(shù)值模擬技術(shù)，對等離子體穿越過濾磁場的物理過程進(jìn)行了研究，為過濾磁場的優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)與參考。
　　本文的內(nèi)容主要分為四個部分，第一部分是關(guān)

5、于PIC/MC模型的算法研究，包括第二章；第二部分是HUST圓柱型過濾磁場的設(shè)計(jì)，包括了第三章；第三部分，是對過濾磁場的數(shù)值模擬研究，包括第四章；第四部分是對HUST大功率負(fù)氫離子源的診斷結(jié)果進(jìn)行了說明，包括了第五章。
　　在第二章中，介紹了PIC/MC的一般數(shù)值方法，簡述了算法的一般步驟，包括了超粒子模型，電荷的累積，粒子推進(jìn)以及空間電場求解的一般方法。在MC部分，重點(diǎn)介紹了粒子的抽樣，粒子間碰撞類型，碰撞后的速度處理等。在該部

6、分，對部分算法進(jìn)行了優(yōu)化，以提高計(jì)算的效率。引入了基于線性多步法的粒子推進(jìn)算法，能夠在與傳統(tǒng)跳步法相同計(jì)算量的情況下使運(yùn)動方程的求解精度與4階龍格庫塔法接近。在二維的空間電場求解中，采用了共軛梯度法，該算法比傳統(tǒng)的高斯迭代和超松弛迭代等算法在計(jì)算速度上有了大幅的提高。
　　在第三章中，對BATMAN裝置的過濾磁場進(jìn)行了有限元的分析，在這基礎(chǔ)上，根據(jù)HUST的圓柱型擴(kuò)展腔設(shè)計(jì)了一種不同于BATMAN跑道型的過濾磁場場型。在對HUST

7、和IPP的過濾磁場進(jìn)行比較后，提出了形狀因子這一能夠表征兩種過濾磁場的特征參數(shù)。
　　在第四章中，通過一維和二維的數(shù)值模擬，研究了過濾磁場對等離子體輸運(yùn)過程的一般作用規(guī)律。過濾磁場將擴(kuò)展腔區(qū)域分成了等離子體參數(shù)有明顯區(qū)別的兩個部分，等離子體密度和電子溫度較高的激勵區(qū)以及等離子體密度和電子溫度相對較低的引出區(qū)。采用單粒子模型研究了電子在過濾磁場中的運(yùn)動規(guī)律，對電子穿越過濾磁場的機(jī)理進(jìn)行了研究，并采用了一維的數(shù)值模擬，提出了電子穿越過

8、濾磁場的主要作用機(jī)理是碰撞。在此基礎(chǔ)上，研究了不同的過濾磁場場型下的空間等離子體參數(shù)。在形狀因子不變時，引出區(qū)的等離子體密度和電子溫度都隨著磁場最大值的增大而減小，而在磁場最大值不變時，引出區(qū)的等離子體密度和電子溫度隨著形狀因子的減小而增大。最后總結(jié)了磁場在引出路徑上的一次積分值對引出區(qū)的等離子體參數(shù)的影響，隨著磁場一次積分值的增大，引出區(qū)的等離子體密度和電子溫度都會減小。因此在引出區(qū)無法同時滿足低的電子溫度和高的等離子體密度這兩個能夠