面对等离子体材料部件表面起弧行为研究

发布时间：2023-11-12 17:01

　　托卡马克装置中,起弧是等离子体与壁相互作用的关键问题之一,一方面起弧可腐蚀壁材料表面,影响壁材料使用寿命,另一方面,由起弧产生的杂质可进入等离子体,影响等离子体运行。随着高Z金属壁材料的应用和等离子体加热功率的提高,由起弧引起的腐蚀所产生的杂质对等离子体性能的影响越来越大。本文首先利用COMSOL程序模拟分析了托卡马克装置面对等离子体部件表面起弧过程中弧坑的形成及演化过程,并通过实验观测分析了 AUG托卡马克装置电弧触发的影响因素和EAST装置起弧对第一壁材料的腐蚀行为。采用COMSOL软件对托卡马克壁材料(W、Mo、Cu、Al)表面起弧过程中弧坑的形成及演化过程进行了模拟分析。依据真空电弧阴极斑点理论及实验,设置真空电弧能流密度为～1012 W/m2和电弧压力为～108 Pa。结果发现,钨(W)阴极在电弧能流密度为3×1012 W/m2和压力为8×1 08 Pa载荷情况下,W电弧坑的最高温度可以达到11000 K,金属射流的速度可以达到220 m/s,载荷加载约28 ns秒后,可形成半径约3 μm,深度约1.1 μm的弧坑,其熔融体积达15 μm3左右。铜材料熔坑在不同能流密度和电弧...

【文章页数】：121 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 受控热核聚变
    1.2 托卡马克装置
    1.3 等离子体与壁相互作用
        1.3.1 等离子体边界
        1.3.2 等离子体与壁材料相互作用
    1.4 电弧
    1.5 托卡马克装置中的电弧
    1.6 本论文的研究内容与意义
第二章 电弧阴极过程理论及模型概述
    2.1 集体电子发射理论:稳态模型
        2.1.1 热场发射
        2.1.2 金属表面电性能对电子发射的影响
    2.2 集体电子发射理论:非稳态模型
        2.2.1 阴极能量平衡
        2.2.2 发射中心的演化过程与Ecton模型
    2.3 分形斑点模型
        2.3.1 发射中心的点燃和分形特征
        2.3.2 阴极斑点类型
        2.3.3 随机与定向游走
    2.4 托卡马克中单极弧原理及理论模型
    2.5 本章小结
第三章 电弧坑的模拟研究
    3.1 模型、参数和条件
        3.1.1 COMSOL基本知识
        3.1.2 分析模型
        3.1.3 材料物性参数
    3.2 电弧坑形成及演化过程
    3.3 电弧参数的影响
        3.3.1 能流密度的影响
        3.3.2 电弧压力的影响
        3.3.3 电弧空间特定参数的影响
    3.4 不同材料的差异
    3.5 本章小结
第四章 AUG中电弧原位检测及分析
    4.1 引言
    4.2 AUG中高时空分辨率成像系统
    4.3 电弧图像处理
        4.3.1 图像处理基础
        4.3.2 电弧视频及其噪声去除方法
        4.3.3 电弧图像的检测及提取
        4.3.4 电弧图像的性质
    4.4 AUG放电参数的影响
        4.4.1 NBI加热功率的影响
        4.4.2 氮气注入的影响
    4.5 电弧与ELMs的关系
        4.5.1 ELMs频率及强度的影响
        4.5.2 ELMs期间高场侧高密度区的影响
    4.6 高分辨率红外相机诊断
    4.7 本章小结
第五章 EAST中电弧实验研究
    5.1 EAST中PFCs表面电弧痕迹
    5.2 EAST电弧诱导实验研究
        5.2.1 实验样品准备
        5.2.2 EAST边缘等离子体中诱导起弧
        5.2.3 结果与讨论
    5.3 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 文章的创新性
    6.3 未来工作展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果



本文编号：3863570