中性束注入装置真空压力分布研究及结构设计

摘要

中性束注入装置(Neutral Beam Injector，简称NBI)是能产生高能带电离子束并对其进行中性化形成高能中性粒子束用以加热托卡马克等离子体的装置。NBI加热是在托卡马克上除了欧姆加热外的主要辅助加热中加热效率最高、物理机制最清楚的手段。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极为关键的因素之一，NBI真空压力分布研究结果可为NBI再电离损失研究提供依据。 本文研究分析了先进性超导托卡马克实验装置(Experimental AdvancedSuperconducting Tokamak，简称EAST)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，利用蒙特卡罗(M-C)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软件进行编程实现对NBI主真空室内真空压力分布的模拟计算，得到了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。运用DIII-D装置中的NBI实验数据对模拟结果进行了验证，结果表明：1.模拟计算是可靠和有效的；2.设置主真空室第一段内的气体挡板和主真空室第三段内的前端冷凝板位置分别为300mm、250mm，可使EAST NBI的主真空室在脉冲进气过程中维持相应的压力分布梯度。最后，对EAST NBI主真空室内的中性化室、偏转系统、低温抽气系统进行了结构设计，为NBI的建造提供工程指导。

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致谢

第一章绪论

1.1核聚变及其发展情况

1.2中性束注入技术简介

1.3课题来源和目的

1.4课题研究的主要内容及意义

第二章中性束注入系统

2.1中性束注入系统的原理

2.2中性束注入系统的结构

2.2.1离子源

2.2.2中性化室、主真空室

2.2.3漂移管道

2.2.4束功率测量系统

2.2.5离子吞食器

2.2.6真空抽气系统

2.2.7其它辅助系统

2.3 EAST中性束注入装置系统

2.4本章小结

第三章中性束注入装置真空压力的理论分析

3.1中性束注入装置的简化模型

3.2中性束注入装置系统气源分析

3.2.1离子源段气源分析

3.2.2中性化室段气源分析

3.2.3主真空室段气源分析

3.3主真空室压力分布计算的物理假设

3.4本章小结

第四章NBI主真空室压力分布模拟计算

4.1蒙特卡罗(M-C)方法

4.1.1 M-C方法简介

4.1.2 M-C方法在真空技术中的应用

4.2 NBI主真空室压力分布模拟计算模型

4.2.1 NBI主真空室压力分布模拟的数学模型

4.2.2 NBI主真空室压力分布模拟的物理模型

4.3 NBI主真空室压力分布的模拟计算

4.4模拟计算的结果与分析

4.4.1气体分子的三维空间分布

4.4.2主真空室内三个区域的压力变化曲线

4.4.3气体挡板位置对主真空室内压力分布的影响

4.4.4前端冷凝板位置对主真空室内压力分布的影响

4.5本章小结

第五章真空压力分布模拟计算的验证

5.1 DⅢ-D NBI结构简介

5.2运用DⅢ-D NBI实验数据对模拟计算结果的验证

5.3本章小结

第六章中性束注入装置的相关结构设计

6.1中性化室的设计

6.2偏转系统的设计

6.3低温抽气系统的设计

6.3.1 NBI对低温抽气系统的基本要求

6.3.2低温泵主抽气系统

6.3.3低温泵主抽气系统低温阵列的冷却方式

6.4本章小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文