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托卡马克和反场箍缩装置击穿过程的数值模拟研究

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磁约束聚变是一种利用强磁场约束高温等离子体产生核聚变并释放能量的技术.目前世界各国先后建成不同的磁场位形来研究聚变等离子体,包括磁镜、仿星器、反场箍缩、托卡马克等.磁约束聚变装置的启动过程从冷的中性气体开始,通过改变极向场线圈电流,在大环方向感应产生环电场,利用环电场来加热真空室中的自由电子,使其与中性原子发生碰撞,形成电子雪崩,产生等离子体.通过控制极向场线圈电流,获得较好的磁场分布,从而约束等离子体,实现等离子体的完全电离及等离子体电流的爬升.虽然聚变被研究了几十年,但对于磁约束聚变装置的启动过程,还没有完整的理论能够给出解释,尤其是等离子体的击穿过程,已有的汤森放电理论并不能完全解释强磁场条件下的等离子体放电过程.由于诊断技术水平的限制,目前实验上还没有为磁约束聚变等离子体形成过程而设计的诊断工具,这使得击穿阶段的实验数据非常有限.针对这些问题,本论文研究了托卡马克和反场箍缩位形下的等离子体击穿过程,为实验研究者提供实验参考和理论依据. 根据磁约束聚变装置上等离子体形成的条件,利用粒子耦合蒙特卡洛碰撞方法(Particle-in-cell/Monte Carlo collision,PIC/MCC),发展了一套适合等离子体击穿过程的数值模拟程序.第二章详细介绍了物理假设和PIC/MCC方法,其中PIC算法包括电荷累积、粒子推动、场方程的求解及边界处理.MCC方法包含了粒子抽样及后处理、电子与分子的碰撞反应和离子与分子的碰撞反应. 研究了理想条件下纯欧姆驱动的托卡马克击穿过程.采用数值模拟的方法给出了等离子体密度、Dα辐射、电子和离子在放电过程中的各项能量损失、平均电子和离子能量以及等离子体的动理学行为随时间的演化过程.研究发现了低气压和中低气压存在两种不同的放电机制,且不同放电机制有不同的装置条件和放电参数空间.通过细致地分析模拟结果,发现击穿过程存在快击穿阶段、过渡阶段和慢击穿阶段.等离子体在三个阶段的行为不同,电子和离子的主要加热机制也存在差异. 在纯欧姆加热的托卡马克击穿过程的基础上,系统地研究了预充气压和外感应电场对等离子体击穿的影响.研究发现了三种放电模式：不击穿放电、成功的击穿放电和逃逸放电,分析了不同放电模式下的等离子体行为及放电模式对应可能发生的参数范围.另外将托卡马克击穿过程的放电参数与传统的汤森放电进行对比,发现传统的汤森放电不能够完全解释托卡马克的击穿过程.除此之外,模拟研究了国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)的放电参数,发现当电场为0.3V/m时,能够实现击穿的气压范围明显变窄,这与Lloyd的理论预测相符合.通过分析击穿过程的伏秒数消耗,发现最优的气压值大约为1.33×10-3Pa,这与ITER的设计值相吻合. 研究了反场箍缩装置上的等离子体击穿过程.基于KTX装置的参数,重点研究了初始的误差场、环向磁场和环电压对击穿过程的影响.研究发现误差场的影响不可忽略,在合适的范围内,较大的环向电压有利于实现大电流,也不会产生逃逸放电.此外分析了不同参数下等离子体的行为,并与KTX上的实验数据进行对比,发现模拟结果与实验数据大致吻合.除此之外,还与托卡马克上的等离子体击穿过程进行对比,发现反场箍缩装置更易实现等离子体的击穿,可选的击穿参数范围也更宽.

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