基于Monte-Carlo方法模拟分析NBI真空压力分布的研究

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:熊模华

  中性束注入装置是产生高能中性粒子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。研究分析了超导托卡马克实验装置中NBI 的工作原理和结构特点,建立了EAST NBI 的几何与物理模型,利用Monte- Carlo 方法建立NBI 主真空室内分子运动及碰撞的数学模型,并运用Matlab 软件编程实现对NBI 主真空室内真空压力分布的模拟计算,得到主真空室内三段区域在进气过程中的气体分子三维分布图和平均压力变化曲线。研究可为EAST NBI 主真空室内的中性化室、偏转系统、低温抽气系统的结构设计提供指导。

  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核聚变界公认为是最有效的加热手段之一,诸多试验表明,中性束注入加热系统能够显著提高核聚变装置中的等离子体性能。

1、中性束注入器装置的典型结构和工作原理

  中性束注入装置(Neutral Beam Injector,简称NBI)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组成。由离子源产生的离子,经引出电极引出并经加速电极加速,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超导托卡马克装置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,简称EAST)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,把能量交给等离体,达到加热等离子体的目的。

中性束注入器装置结构示意图

图1 中性束注入器装置结构示意图

2、中性束注入装置真空压力的理论分析

  NBI 总的气源有两个:离子源头部进气和中性化室补充进气。下面分析在NBI 系统稳态实验运行时,系统各部分的气体量。为了简化计算过程,对该真空系统作了如下几点假设:

  (1) 主真空室内的压强分布情况单独计算,而在计算其它部分的压力分布时不予考虑。

  (2) 在主真空室内,气体抽速可以近似认为是低温泵的有效抽速。

  (3) 由于中性化室的体积远远小于主真空室的体积,故可认为中性化室内的气体流出中性化室出口后立刻扩散到整个主真空室,且这个过程与抽气过程相比要快得多。

  (4) 主真空室内的气流状态近似属于分子流状态。

  对于假设(4),用下面的计算来证明。对于分子流和粘滞流的判据,目前国内外多数学者推荐下列公式:

7、结论

  采用M-C方法, 运用Matlab 软件对EAST NBI 主真空室的压力分布计算进行编程,模拟计算出了主真空室的压力分布情况,使用DIII- DNBI 的实验数据验证模拟运算结果,得出了以下结论:NBI 主真空室内压力分布呈现梯度性,总体上看,主真空室内三个区域的压力逐渐降低,呈沿束线方向下降的趋势;NBI 主真空室各处平衡压力在1×10-3 Pa 至5×10- 3 Pa 之间,能够稳定保持10-3 Pa 量级,满足NBI 装置对主真空室压力分布的要求;运用DIII- D NBI 的实验数据验证,结果表明模拟计算可靠有效;NBI 主真空室第一段的被抽气体量最大,其内部的后端冷凝板采用强迫流的结构形式,加大了低温冷凝吸附几率,提高了抽气能力。

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