基于Monte-Carlo方法模擬分析NBI真空壓力分布的研究

真空規管 熊模華 合肥工業大學機械與汽車工程學院

  中性束注入裝置是產生高能中性粒子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。研究分析了超導托卡馬克實驗裝置中NBI 的工作原理和結構特點,建立了EAST NBI 的幾何與物理模型,利用Monte- Carlo 方法建立NBI 主真空室內分子運動及碰撞的數學模型,并運用Matlab 軟件編程實現對NBI 主真空室內真空壓力分布的模擬計算,得到主真空室內三段區域在進氣過程中的氣體分子三維分布圖和平均壓力變化曲線。研究可為EAST NBI 主真空室內的中性化室、偏轉系統、低溫抽氣系統的結構設計提供指導。

  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核聚變界公認為是最有效的加熱手段之一,諸多試驗表明,中性束注入加熱系統能夠顯著提高核聚變裝置中的等離子體性能。

1、中性束注入器裝置的典型結構和工作原理

  中性束注入裝置(Neutral Beam Injector,簡稱NBI)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組成。由離子源產生的離子,經引出電極引出并經加速電極加速,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超導托卡馬克裝置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,簡稱EAST)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,把能量交給等離體,達到加熱等離子體的目的。

中性束注入器裝置結構示意圖

圖1 中性束注入器裝置結構示意圖

2、中性束注入裝置真空壓力的理論分析

  NBI 總的氣源有兩個:離子源頭部進氣和中性化室補充進氣。下面分析在NBI 系統穩態實驗運行時,系統各部分的氣體量。為了簡化計算過程,對該真空系統作了如下幾點假設:

  (1) 主真空室內的壓強分布情況單獨計算,而在計算其它部分的壓力分布時不予考慮。

  (2) 在主真空室內,氣體抽速可以近似認為是低溫泵的有效抽速。

  (3) 由于中性化室的體積遠遠小于主真空室的體積,故可認為中性化室內的氣體流出中性化室出口后立刻擴散到整個主真空室,且這個過程與抽氣過程相比要快得多。

  (4) 主真空室內的氣流狀態近似屬于分子流狀態。

  對于假設(4),用下面的計算來證明。對于分子流和粘滯流的判據,目前國內外多數學者推薦下列公式:

7、結論

  采用M-C方法, 運用Matlab 軟件對EAST NBI 主真空室的壓力分布計算進行編程,模擬計算出了主真空室的壓力分布情況,使用DIII- DNBI 的實驗數據驗證模擬運算結果,得出了以下結論:NBI 主真空室內壓力分布呈現梯度性,總體上看,主真空室內三個區域的壓力逐漸降低,呈沿束線方向下降的趨勢;NBI 主真空室各處平衡壓力在1×10-3 Pa 至5×10- 3 Pa 之間,能夠穩定保持10-3 Pa 量級,滿足NBI 裝置對主真空室壓力分布的要求;運用DIII- D NBI 的實驗數據驗證,結果表明模擬計算可靠有效;NBI 主真空室第一段的被抽氣體量最大,其內部的后端冷凝板采用強迫流的結構形式,加大了低溫冷凝吸附幾率,提高了抽氣能力。