高温超导磁约束等离子体推进器杜瓦系统的应力和应变分析

高温超导磁约束等离子体推进器利用磁场的作用,将高温等离子体的能量转化为推进器的推力,对于杜瓦系统的结构有着较高的要求。文中主要介绍了杜瓦系统的基本结构,并利用ANSYS软件分析了杜瓦系统的应力和应变,说明了高温超导磁约束等离子体推进器杜瓦系统的设计满足应力及应变要求。

磁约束等离子体推进器磁体系统的电磁力和机械应力分析

根据磁约束等离子体推进器磁体系统的设计参数,通过ANSYS有限元分析软件在电磁-结构耦合场方面的计算,得到磁体系统的轴向电磁力和机械应力的分布。计算超导磁体在通电情况下,磁体中平面上所有节点所受的轴向电磁压缩力以及磁体间的相互作用力;计算出磁体外层用不锈钢钢丝加固前后机械应力分布情况的变化。

磁等离子体推进器阳极半径对阳极功率沉降的影响

随着人类航天事业的发展,需要研发适用于不同空间任务的推进系统,与磁约束核聚变原理类似的磁等离子体动力推进器(MegnetoPlasmaDynamic Thruster,MPDT)在推力功率比和比冲方面具有优越性能。阳极功率沉降是MPDT运行过程中等离子体与壁面相互作用的结果,占总功率的40%~90%,严重降低推进器效率。针对该问题,本文从阳极功率沉降的角度探究了阳极半径对推进器效率的影响。基于磁流体力学方程(MagnetoHydroDynamic,MHD),利用数值计算方法建立径向放电参数数值模型和阳极功率沉降物理模型,研究计算了阳极半径对放电参数和阳极功率沉降的影响规律,并建立热仿真模型对阳极水冷散热结构进行了热仿真。研究结果表明:增大阳极半径,电子密度及离子速度得到提高,阳极功率沉降增大,但阳极功率沉降分数降低,推进器效率得到提升。热仿真结果显示,水冷结构阳极在输入阳极功率沉降约为3 kW时,对应的阳极冷却水温差为5 K。本研究验证了阳极功率沉降物理模型的可靠性,并指出增大阳极半径是提升推进器效率的有效手段。

磁约束燃烧等离子体物理的现状与展望

本文从设计和运行托卡马克聚变堆需求的角度,简要概述了托卡马克高约束运行方案和高能量粒子约束涉及的关键物理的发展现状和挑战.过去几十年中,托卡马克高约束模式物理研究取得了重要进展,明确了聚变堆运行区的主要稳定性和约束的限制条件及其性能优化的主要调控手段,发展了感应、混合和稳态等若干可能适用于未来托卡马克聚变堆的运行方案.在反应堆阿尔法粒子加热主导的条件下,潜在主导阿尔法粒子输运损失的阿尔芬不稳定性的线性谱特征和激发机制得到了充分的理解;在阿尔芬不稳定性的非线性饱和、阿尔法粒子约束,及通过加热沉积和微观湍流对等离子体约束的影响等方面开展了大量的实验和理论探索.当前,磁约束聚变物理已进入临近点火燃烧等离子体研究的新阶段,面临着全新的挑战,如:聚变堆条件下如何实现高能量阿尔法粒子对等离子体有效自加热;在阿尔法粒子自加热为主条件下,如何通过调控等离子体关键参数分布维持等离子体稳定性和高约束性能,实现聚变堆高效安全运行;能否建立全尺度模型,实现聚变堆复杂等离子体的长时间动力学过程的准确预测等.这些关键问题的解决,可为未来聚变堆的设计和运行奠定坚实的物理基础,同时推动等离子体学科的发展.

美研究发现改善聚变等离子体控制新方法

【美国核学会网站2024年5月9日报道】美国普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)最新的模拟研究发现,综合使用共振磁扰动(RMP)和电子回旋波电流驱动(ECCD)两种已知方法,能够对聚变等离子体实施更好的控制。相关研究成果已在科技期刊《核聚变》发表。在托卡马克磁约束聚变实验中,强约束等离子体边界区域会周期性地爆发一种称为边界局域模(ELM)的不稳定性。

磁约束核聚变托卡马克等离子体与壁相互作用研究进展

核聚变能是潜在的清洁安全能源,其最终的实现对中国能源问题的解决尤其重要。磁约束托卡马克是目前最有可能实现受控热核聚变的方法。磁约束聚变能的实现面临两大瓶颈问题:高参数稳态等离子体物理问题和托卡马克装置及未来反应堆关键材料问题。其中关键材料问题的解决在很大程度上取决于我们对等离子体与壁材料相互作用(Plasma-Wall Interactions,PWI)过程和机理的深入理解。PWI现象主要发生在托卡马克磁场最外封闭磁面以外的边界等离子体(又称为刮削层,Scrapped-Off Layer,SOL)和直接接触SOL的面对等离子体材料(Plasma-Facing Materials,PFM)区域内。因此,PWI问题直接决定了聚变的装置运行安全性、壁材料部件研发进程和未来壁的使用寿命。弄清PWI的各种物理过程和机理并施以有效的控制,是未来核聚变能实现的重要环节之一。对PWI国内外研究现状进行了详细的总结评述,并阐述了PWI的未来发展趋势和亟待解决的问题。

磁镜场约束等离子体的粒子模拟

用PIC粒子模拟的方法描绘具有初始速度分布的等离子体在磁镜场中的运动状态 ,得出等离子体在磁镜场中的运动轨迹图 ,形象表现了磁镜场对等离子体的约束作用 ,表明用PIC粒子模拟方法探索在磁镜场中等离子体运动的物理过程和规律是可行的和有效的 .

磁约束核聚变装置等离子体与壁相互作用研究简述

可控聚变能具有安全、清洁、燃料丰富等优点,是解决人类未来能源问题的主要选择之一.在磁约束核聚变装置中,来自高温等离子体的强热流、强粒子流与直接面对等离子体的器壁之间产生的强烈相互作用,不仅会导致第一壁损伤,产生杂质,污染等离子体,引起等离子体能量辐射损失与等离子体约束性能降低,同时滞留在壁上的燃料粒子再循环直接影响等离子体密度控制.稳态控制等离子体与壁相互作用对于实现长脉冲高参数的等离子体至关重要,其主要研究内容包括面对等离子体壁材料的选择及其表面处理以控制燃料粒子再循环与杂质产生,控制来自等离子体的强粒子流和热流以减少壁材料损伤,以及发展高效冷却结构以快速移除沉积在壁上的高热负载等.经过数十年发展,特别在我国EAST超导托卡马克上,研究了石墨、钨、铍、钼等壁材料与结构,发展了壁表面清洗与涂覆改性技术,提出了多种控制等离子体热流的先进方法,初步开展了流动液态金属壁的研究,取得了重要进展,有效控制等离子体与壁相互作用,促进了长脉冲高参数等离子体的实现与性能提高.针对具有更高热负荷、更长脉冲以及高能量中子辐照等特点的长时间不间断运行的未来聚变堆,等离子体与壁相互作用稳态控制仍然面临严峻挑战.

轴对称缓变磁场中的等离子体与磁约束原理

本文以等离子体的单粒子理论为基础 ,对等离子体中的带电粒子在轴对称缓变磁场中的运动进行了较详细的讨论 ,进而从理论上说明了磁约束的机理 .

磁约束放电等离子体电抗特性的研究

介绍了一种测量等离子体电抗的方法，并对横向磁场影响下等离子体电抗特性进行了研究，理论分析与实验曲线拟合得很好。

同轴配对电子回旋共振放电产生的等离子体磁场约束的影响

运用朗缪尔探针诊断技术对同轴配对电子回旋共振产生等离子体磁场约束的影响进行了研究。在磁镜约束条件下,电子回旋共振源轴线附近等离子体的密度非常高,但是随着径向距离的增加等离子体的密度会迅速下降;而在会切磁场约束条件下,离子体的密度相对较低却分布均匀。这种趋势与电子温度和等离子体电势的情形类似,并且这种特性可应用于各种材料加工以满足不同的需求。

磁约束等离子体的高分辨光谱诊断

磁约束等离子体的高分辨光谱诊断赵庆勋（河北大学物理系保定０７１００２）李赞良，郑少白（中国科学院物理研究所北京１０００８０）光谱诊断已成为磁约束高温等离子体诊断中最为有效的方法之一。对于磁约束等离子体，其内部电场与离子温度关联着等离子体内部的粒子输运...

力学量本征值问题的代数解法在磁约束等离子体中的应用

将力学量本征值问题的代数解法应用到磁约束等离子体中,分别求出了磁镜场中和磁控溅射镀膜中的等离子体能量本征值。

磁场约束等离子体的实验演示

实验采用大气压放电产生等离子体,利用永磁体组合产生的轴向发散磁场来约束等离子体,直观地展现了磁场约束等离子体的实验现象,实验方法简单、便捷,对于提高大学生的等离子体基础知识和创新实验能力具有重要作用。

磁空混合约束激光诱导Cu等离子体光谱特性

本文基于发射光谱法对磁空混合约束铜等离子体光谱特性进行了研究,分析了磁空混合约束条件下铜等离子体光谱强度演化过程以及等离子体光谱轴向和横向分布.实验结果表明,在磁空混合约束和空间约束条件下等离子体光谱均出现增强,对原子光谱Cu I 521.8 nm的最大增强因子分别为2和1.2,磁空混合作用等离子体离子光谱增强效果大于纯空间约束情形.在磁空混合约束作用下,光谱增强在小延时来源于磁场约束产生,而大延时为空间约束产生.结合光学阴影成像法,分析了Cu I 521.8 nm谱线强度的轴向和横向空间强度分布,由于空间约束作用的冲击波反射压缩,使等离子体羽横向膨胀方向存在约束,使等离子体内原子数密度最大空间位置前移,造成了磁空混合约束下Cu I 521.8 nm谱线强度的轴向最大空间位置远离铜表面.

磁约束等离子体的若干辐射磁流体力学问题研究概述

在磁约束聚变等离子体中,等离子体辐射是其中的一个重要问题。当等离子体辐射功率达到一定比例时,会引起不稳定性,甚至导致等离子体破裂。在磁约束等离子体中,辐射磁流体力学主要涉及到的是由辐射引起的磁流体不稳定性,及其对等离子体约束的影响。目前仍存在一些关键性的问题,如密度极限、等离子体破裂过程中的辐射损失等,并且磁约束聚变等离子体中还没有完整的辐射磁流体动力学的数值模拟工作,因此,从事这方面的工作有望走在国际前沿。

磁约束聚变等离子体的大规模回旋动理学模拟

文章介绍了磁约束核聚变能源科学及其密切相关的聚变等离子体物理,以及研究磁约束聚变等离子体非线性物理所必需的大规模回旋动理学模拟的方法及其前沿进展.

磁约束等离子体湍流扰动纵向传播的时间相关性研究

从相关时间以及色散关系分析入手 ,研究磁约束等离子体中湍流扰动的纵向传播性质 ,从不同途径来确定扰动的传播速度。其结果与电子流体速度具有一致性。从而表明 ,时间相关因数与色散关系这两种分析方法 。

磁约束等离子体中杂质离子的输运方程

以非平衡态统计理论为基础,从福克尔-普朗克动理学方程出发推导出了各种杂质离子、氘离子和电子的输运动力学方程,即特殊的多组分等离子体输运方程。各级电离过程中形成的带不同电荷杂质离子的输运动力学过程以及不同粒子间碰撞相互作用的贡献在文中进行了系统的分析。此外,在重新推导并优化的基本方程组基础上,得到了各种杂质离子的输运动力学方程。

磁约束激光诱导煤粉等离子体特性的研究

为了研究磁场约束下激光诱导煤粉等离子体特性,以及在不同的磁场强度作用下,对煤粉等离子体的光谱强度、电子密度、电子温度进行研究。实验采用外加磁约束的方式搭建激光诱导击穿光谱实验平台,使用两块磁性相反的方形永磁铁形成一个中心等离子体区域可近似认定为稳磁场,通过调节板间距离改变磁约束强度进行研究。实验结果显示:在其他实验条件相同的情况下,随着磁场强度的逐渐增强,等离子体的光谱强度、电子密度、电子温度均有所增强。当磁场强度为0.67 T时,与无磁场约束时相比,Mg、Fe、Al元素等离子体的光谱强度分别增长了33.8%,68.6%,67.1%,Ca元素电子温度增长了24.1%,Al元素电子密度增长了11.5%。因此,可得出外加磁约束的方式是提高激光光谱质量的优化条件之一。