基于M-C方法模拟分析NBI真空压力分布的影响因素

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥工业大学机械与汽车工程学院 作者:陈长琦

  中性束注入装置(Neutral Beam Injector,NBI)是产生高能中性粒子束用以加热托卡马克等离子体的装置。NBI 真空压力分布是影响中性束传输效率特别是再电离损失的关键因素之一。本文研究分析了HT- 7 托卡马克NBI 实验装置的工作原理和结构特点,利用Monte-Carlo方法建立NBI 实验装置主真空室及飘移管道内分子运动及碰撞的相关模型,并进行编程实现对NBI 实验装置真空压力分布模拟计算。模拟计算和实验结果表明:主真空室低温冷凝泵抽速为4×105 L/s 时,主真空室压力在脉冲充气过程中维持在10- 3 Pa 量级;飘移管道低温冷凝泵抽速为4×104 L/s 时,飘移管道压力维持在10-4 Pa 量级。文章的结论为中性束传输过程中再电离损失的研究提供了理论依据。

  实现受控核聚变所必须解决的主要问题之一就是如何将等离子体加热到反应温度。中性束注入加热被国际聚变界公认为是最有效的加热手段之一,它利用注入的高能中性粒子束在等离子体中的电离、热化,最终把能量转化成等离子体的内能,从而提高等离子体温度。诸多试验表明,NBI 加热系统能够显著提高核聚变装置中的等离子体参数。

1、中性束注入装置(NBI)的典型结构和工作原理

  中性束注入装置的典型结构如图1 所示,它包括离子源、中性化室、主真空室、偏转磁体、离子消除器、束流限制靶、飘移管道及真空系统等部分。

中性束注入装置结构示意图

图1 中性束注入装置结构示意图

  由离子源产生的离子,经引出电极引出并经加速电极的加速,成为能量达几十乃至上百keV的高能离子束。高能离子束进入中性化室实现中性化,从而使其中的一部分转化为高能中性粒子束。中性粒子束经漂移管道注入到托卡马克装置的等离子体中,中性粒子在等离子体中通过电荷交换和碰撞电离变成离子并被磁场捕获,再经过跟原有等离子体发生库仑碰撞,把能量传递给等离子体,达到加热等离子体的目的。束线中未中性化的粒子在经过偏转磁铁时,在磁场力的作用下发生偏转,最后打到离子消除器上,为离子消除器所吸收。

2、Monte-Carlo方法

  Monte- Carlo方法,就是根据待求随机问题的变化规律,根据物理现象本身的统计规律,或者人为地构造出一个合适的概率模型,依照该模型进行大量的统计实验,使它的某些统计参量正好是待求问题的解。真空中微观粒子运动是随机过程,真空的宏观物理性质是大量微观粒子相应微观量的统计平均,容易把所研究的宏观量与粒子运动的概率特征联系起来。这就使得Monte- Carlo 方法在真空学科中获得了广泛应用。

  本文应用Monte- Carlo 方法模拟计算主真空室和飘移管道内的压力分布。

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4、结论

  (1) 主真空室低温冷凝泵抽速为4×105 L/s时主真空室压力为8.3×10- 4 Pa,满足NBI 实验装置的实验要求。

  (2) 提高飘移管道真空度的方法有三种:

  ① 提高主真空室低温冷凝泵抽速;

  ② 提高飘移管道低温冷凝泵抽速;

  ③ 减小束流限制口尺寸。

  综合考虑,为了使漂移管道压力满足NBI 实验要求(即10- 4 Pa 量级),提高飘移管道低温冷凝泵抽速和减小束流限制口尺寸是比较经济的改进措施,但由于束流限制口的尺寸和中性束加热性能紧密相关,不能进行改动,所以增加漂移管道低温冷凝泵抽气面积是唯一可行的方案。根据模拟结果,增加漂移管道低温冷凝泵抽气面积,将其抽速提高至4×104 L/s 即可以使漂移管道内压力满足NBI 实验要求。

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