托卡馬克邊緣等離子體中鋰粉輸運的模擬研究.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)實驗和模擬研究，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，因為鋰具有可降低偏濾器處的等離子體能流，對芯部等離子體污染小等優(yōu)點。最近在超導(dǎo)EAST裝置上成功實現(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EAST裝置中撒入鋰粉的實驗，圍繞鋰粉在邊緣等離子體中的輸運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驗相關(guān)實驗工作提供理論指導(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)合主要實驗參數(shù)進(jìn)行了具體的數(shù)值模擬研究，包括鋰顆粒的帶電、受力及運動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，利用軌道運動限制理論研究其在邊緣等離子體中表面帶電、受力和運動軌跡的變化。采取典型的邊緣等離子體參數(shù)，研究表明，

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