托卡馬克邊緣等離子體中鋰粉輸運(yùn)的模擬研究.pdf

1、托卡馬克磁控核聚變被認(rèn)為是解決人類能源危機(jī)的終極方案。但隨著等離子體參數(shù)的提高和放電時(shí)間的增加，托卡馬克中邊緣等離子體與器壁相互作用這一問題顯得尤為重要。為了選擇合適的壁材料，人們分別開展了鈹、碳、鎢作為壁材料的相關(guān)實(shí)驗(yàn)和模擬研究，但是結(jié)果表明這些材料都存在著一些比較嚴(yán)重的缺陷。針對(duì)這一問題，近年來研究發(fā)現(xiàn)采用金屬材料鋰有潛在優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殇嚲哂锌山档推珵V器處的等離子體能流，對(duì)芯部等離子體污染小等優(yōu)點(diǎn)。最近在超導(dǎo)EAST裝置上成功實(shí)現(xiàn)超過3

2、0秒的H膜，也與鋰處理等離子體面壁密切相關(guān)。本論文主要是針對(duì)EAST裝置中撒入鋰粉的實(shí)驗(yàn)，圍繞鋰粉在邊緣等離子體中的輸運(yùn)及其與等離子體相互作用這一基礎(chǔ)問題展開，為我國磁控核聚變實(shí)驗(yàn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作提供理論指導(dǎo)。
　　在第一章中，主要介紹了等離子體的一些基本知識(shí)和受控磁約束核聚變的發(fā)展史，比較了幾種等離子體壁材料，最后介紹了新興鋰材料在聚變裝置中的應(yīng)用情況及取得的進(jìn)展。在第二章中，將詳細(xì)地介紹在模擬鋰粉輸運(yùn)這一過程所涉及到的理論和數(shù)值方

3、法。在第三章中，結(jié)合主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了具體的數(shù)值模擬研究，包括鋰顆粒的帶電、受力及運(yùn)動(dòng)特性的研究及鋰顆粒蒸發(fā)為鋰原子后在空間的分布情況。在第四章中，主要針對(duì)鋰原子與背景等離子體的碰撞進(jìn)行模擬，初步研究了鋰原子與背景等離子體的相互作用。
　　結(jié)合當(dāng)前EAST裝置撒入鋰粉鋰化壁面過程進(jìn)行數(shù)值模擬。首先，將鋰粉看作球形小顆粒，利用軌道運(yùn)動(dòng)限制理論研究其在邊緣等離子體中表面帶電、受力和運(yùn)動(dòng)軌跡的變化。采取典型的邊緣等離子體參數(shù)，研究表明，

4、對(duì)于微米量級(jí)的鋰顆粒，約在納秒時(shí)間量級(jí)內(nèi)就能達(dá)到充電平衡，所收集電荷數(shù)量約為104量級(jí)。同時(shí)，由于鋰顆粒在等離子體中會(huì)受到到離子拖拽力、重力、洛倫茲力的作用，根據(jù)牛頓力學(xué)方程追蹤其運(yùn)動(dòng)軌跡。我們主要針對(duì)EAST裝置上常用的半徑為1μm和22μm的鋰顆粒進(jìn)行模擬，對(duì)鋰顆粒而言，半徑越大，相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡越長(zhǎng)，對(duì)于半徑為22μm的鋰顆粒，在蒸發(fā)前沿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的距離約為毫米量級(jí)。鋰顆粒在等離子體中由于受熱會(huì)使表面溫度升高，待顆粒表面溫度達(dá)到升