基于M-C方法模擬分析NBI真空壓力分布的影響因素

2010-02-11 陳長琦 合肥工業大學機械與汽車工程學院

  中性束注入裝置(Neutral Beam Injector,NBI)是產生高能中性粒子束用以加熱托卡馬克等離子體的裝置。NBI 真空壓力分布是影響中性束傳輸效率特別是再電離損失的關鍵因素之一。本文研究分析了HT- 7 托卡馬克NBI 實驗裝置的工作原理和結構特點,利用Monte-Carlo方法建立NBI 實驗裝置主真空室及飄移管道內分子運動及碰撞的相關模型,并進行編程實現對NBI 實驗裝置真空壓力分布模擬計算。模擬計算和實驗結果表明:主真空室低溫冷凝泵抽速為4×105 L/s 時,主真空室壓力在脈沖充氣過程中維持在10- 3 Pa 量級;飄移管道低溫冷凝泵抽速為4×104 L/s 時,飄移管道壓力維持在10-4 Pa 量級。文章的結論為中性束傳輸過程中再電離損失的研究提供了理論依據。

  實現受控核聚變所必須解決的主要問題之一就是如何將等離子體加熱到反應溫度。中性束注入加熱被國際聚變界公認為是最有效的加熱手段之一,它利用注入的高能中性粒子束在等離子體中的電離、熱化,最終把能量轉化成等離子體的內能,從而提高等離子體溫度。諸多試驗表明,NBI 加熱系統能夠顯著提高核聚變裝置中的等離子體參數。

1、中性束注入裝置(NBI)的典型結構和工作原理

  中性束注入裝置的典型結構如圖1 所示,它包括離子源、中性化室、主真空室、偏轉磁體、離子消除器、束流限制靶、飄移管道及真空系統等部分。

中性束注入裝置結構示意圖

圖1 中性束注入裝置結構示意圖

  由離子源產生的離子,經引出電極引出并經加速電極的加速,成為能量達幾十乃至上百keV的高能離子束。高能離子束進入中性化室實現中性化,從而使其中的一部分轉化為高能中性粒子束。中性粒子束經漂移管道注入到托卡馬克裝置的等離子體中,中性粒子在等離子體中通過電荷交換和碰撞電離變成離子并被磁場捕獲,再經過跟原有等離子體發生庫侖碰撞,把能量傳遞給等離子體,達到加熱等離子體的目的。束線中未中性化的粒子在經過偏轉磁鐵時,在磁場力的作用下發生偏轉,最后打到離子消除器上,為離子消除器所吸收。

2、Monte-Carlo方法

  Monte- Carlo方法,就是根據待求隨機問題的變化規律,根據物理現象本身的統計規律,或者人為地構造出一個合適的概率模型,依照該模型進行大量的統計實驗,使它的某些統計參量正好是待求問題的解。真空中微觀粒子運動是隨機過程,真空的宏觀物理性質是大量微觀粒子相應微觀量的統計平均,容易把所研究的宏觀量與粒子運動的概率特征聯系起來。這就使得Monte- Carlo 方法在真空學科中獲得了廣泛應用。

  本文應用Monte- Carlo 方法模擬計算主真空室和飄移管道內的壓力分布。

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4、結論

  (1) 主真空室低溫冷凝泵抽速為4×105 L/s時主真空室壓力為8.3×10- 4 Pa,滿足NBI 實驗裝置的實驗要求。

  (2) 提高飄移管道真空度的方法有三種:

 、 提高主真空室低溫冷凝泵抽速;

 、 提高飄移管道低溫冷凝泵抽速;

 、 減小束流限制口尺寸。

  綜合考慮,為了使漂移管道壓力滿足NBI 實驗要求(即10- 4 Pa 量級),提高飄移管道低溫冷凝泵抽速和減小束流限制口尺寸是比較經濟的改進措施,但由于束流限制口的尺寸和中性束加熱性能緊密相關,不能進行改動,所以增加漂移管道低溫冷凝泵抽氣面積是唯一可行的方案。根據模擬結果,增加漂移管道低溫冷凝泵抽氣面積,將其抽速提高至4×104 L/s 即可以使漂移管道內壓力滿足NBI 實驗要求。