一种用于预估负氢离子密度的模拟方法技术

本发明专利技术属于核聚变技术领域，提供了一种用于预估负氢离子密度的模拟方法。本发明专利技术提出的模拟方法，将14个氢分子的振动激发态H

【技术实现步骤摘要】
一种用于预估负氢离子密度的模拟方法
本专利技术涉及核聚变
，尤其涉及一种用于预估负氢离子密度的模拟方法。
技术介绍
众所周知，受控磁约束核聚变是解决人类能源危机的最佳途径之一。尽管人们对受控磁约束聚变等离子体进行了半个多世纪的研究，但仍面临着许多挑战。例如，为了把磁约束聚变等离子体长时间地维持在1.5亿摄氏度左右的极端温度，单靠欧姆加热不行，还必须采用二次辅助加热手段。其中，中性束加热技术，是磁约束聚变装置中最为重要的辅助加热方式。与传统的正离子束源相比，大功率射频负氢离子源可以产生高密度的负氢离子束，极大地提高了离子束的中性化效率。因此，负氢离子源成为了核聚变装置中中性束注入系统的重要组成部分。在射频负氢离子源中，负氢离子的产生途径有两种，即体产生过程和表面产生过程。其中，为了增强表面产生过程，需要在腔室的器壁上涂上一层金属铯。但铯可与空气发生剧烈反应，并有可能在聚变反应器中引发一些复杂且难以控制的过程，因此体产生过程至关重要。在体产生过程中，低能电子与振动激发态的氢分子发生解离吸附反应，生成负氢离子，即e+H2(v)→H+H-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于预估负氢离子密度的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：/n设定放电条件：功率为1kW～30kW，压强为1～30Pa，根据设定放电条件下的氢分子的振动分布函数的斜率，将氢分子的14个振动激发态进行分组，命名为振动组合态g

【技术特征摘要】
1.一种用于预估负氢离子密度的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
设定放电条件：功率为1kW～30kW，压强为1～30Pa，根据设定放电条件下的氢分子的振动分布函数的斜率，将氢分子的14个振动激发态进行分组，命名为振动组合态gi，其中，i为1、2、3……i；
基于负氢离子的产生与损失反应，利用式I所示的负氢离子的粒子数守恒方程，得到负氢离子密度：



式I中，表示腔室内部的负氢离子的产生与损失反应j的源项，利用式II获得：



式II中，kj为反应系数：kj的获取方法包括：
(i)当负氢离子的产生与损失反应中有振动组合态参与时，kj为复合反应系数kgi；所述复合反应系数kgi利用式III获得：



式III中，kgi为复合反应系数，kv为振动组合态gi内所包含的振动激发态H2(v)的反应系数，所述kv为电子温度的函数或常数，首次使用电子温度时，所述电子温度采用设定的初值，非首次使用时，采用计算得到的最新的电子温度；
式III中，通过式IV得到：



式IV中，Ev为振动激发态H2(v)的能量，kB为玻尔兹曼常数，Tgi为振动组合态gi的温度，所述Tgi通过振动分布函数的斜率求得；
(ii)当负氢离子的产生与损失反应中没有振动组合态但有电子参与时，kj为电子温度的函数，首次使用电子温度时，所述电子温度采用设定的初值，非首次使用时，采用计算得到的最新的电子温度；
(iii)当负氢离子的产生与损失反应中既没有振动组合态也没有电子参与时，kj为常数；
式II中：na和nb分别为反应物的密度，所述na和nb的获取方法包括：
(a)当负氢离子的产生与损失反应的反应物为振动组合态时，所述na和nb为振动组合态的密度ngi，所述振动组合态的密度ngi通过式V计算得到：



式V中，为振动组合态gi的通量，ngi为振动组合态的密度，为热速度，mgi为振动组合态gi的质量，kB为玻尔兹曼常数，Tgi为振动组合态gi的温度；Agi为开放边界的面积，V为腔室的体积；

表示由于腔室内部的碰撞反应l而引起的振动组合态gi的产生或损失源项，其中，kl为复合反应系数，na和nb分别为反应物的密度；

表示由于腔室内部的表面反应s而引起的振动组合态gi的产生或损失源项，其中，ks为复合反应系数，na为反应物的密度；
(b)当负氢离子的产生与损失反应的反应物为正离子时，所述na和nb为正离子的密度ni，所述正离子的密度ni通过式VI获得：



式VI中，ni为正离子的密度，uB,i为正离子的玻姆速度，Aeff,i为正离子损失的有效面积，V为腔室体积，RV,i表示由于体区的碰撞反应而引起的正离子的产生与损失源项；
(c)当负氢离子的产生与损失反应的反应物为中性粒子时，所述na和nb为中性粒子的密度nn，所述中性粒子的密度nn通过式VII获得：



式VII中，ni为正离子的密度，uB,i为正离子的玻姆速度，Aeff,n表示正离子在器壁表面生成中性粒子的有效面积，V为腔室体积，Γn为中性粒子的通量，nn为中性粒子的密度，为热速度，mn为中性粒子的质量，kB为玻尔兹曼常数，Tn为中性粒子的温度；An为开放边界的面积，RV,n表示由于体区的碰撞反应而引起的中性粒子的产生与损失源项，Rs,n表示由于表面的碰撞反应而引起的中性粒子的产生与损失源项；
(d)当负氢离子的产生与损失反应的反应物为电子时，所述na和nb为电子的密度ne，所述电子的密度ne通过式VIII获得：



式VIII中，ne为电子的密度，表示H3+离子的密度、表示H2+离子的密度、表示H+离子的密度；表示H-离子的密度。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张钰如，高飞，王友年，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21