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α粒子的慢化对D-T等离子体聚变燃烧的影响

施研博  
【摘要】: 在以D-T为聚变燃料的惯性约束聚变中,带电粒子在等离子体中的能量沉积对维持聚变燃料的点火燃烧和实现靶丸高的能量增益有重要作用。本工作的主要目的是研究α粒子在D-T等离子体中的慢化过程以及这种慢化对D-T等离子体聚变燃烧行为的影响。主要工作有:用二元碰撞理论导出了带电粒子在等离子体中的能量变化率公式,阻止本领公式,以及两种各自处于热平衡状态的带电粒子之间的能量传递率公式等,研究了一个α粒子在等离子体中的慢化行为;建立了包括等离子体温度和辐射温度的双温聚变燃烧模型,首先研究了α粒子的能量瞬时沉积假设下等离子体温度、辐射温度和单位体积中的离子数随时间的变化,并在此基础上考虑了等离子体中的电子和离子之间的能量交换,建立了包括电子温度,离子温度和等效辐射温度在内的三温模型,更细致地考察了等离子体的聚变燃烧规律;导出了考虑慢化过程的α粒子能源项,给出了考虑α粒子慢化的双温和三温模型,与前面假定α粒子瞬时沉积能量的双温模型和三温模型分别作了对比,研究了α粒子的慢化对D-T等离子体聚变燃烧的影响。 全文共分为五章。第一章介绍了研究带电粒子在等离子体中的能量沉积在惯性约束聚变中的意义,并对相关背景作了展开说明,同时概括介绍了有关α粒子在等离子体中慢化和等离子体聚变燃烧的研究工作的历史及目前的进展情况,最后介绍了本工作的主要内容。 第二章导出了带电粒子在等离子体中慢化的能量变化率和阻止本领,以及两种拥有独立温度的带电粒子之间的能量交换率。研究了α粒子的能量在等离子体中沉积的时空分布,对α粒子本身在等离子体中的慢化行为有了一个细致的了解。 第三章建立了α粒子能量瞬时沉积的两温和三温模型。首先建立了一个包括等离子体温度和等效辐射温度的双温聚变燃烧模型,计算了等离子体温度、等效辐射温度和单位体积中的离子数随时间的变化,对等离子体的聚变燃烧过程有了一个初步的了解,在此基础上考虑了电子离子之间的能量交换,建立了更为细致的三温模型,对比两温模型研究了D-T等离子体的聚变燃烧行为。 第四章建立了考虑α粒子慢化的两温模型和三温模型,首先导出了考虑慢化的α粒子对等离子体的能源项,替换已有的两温模型的等离子体能量密度方程中的能源项,将其改进为考虑α粒子慢化过程的两温模型,与瞬时沉积能量的两温模型作了对比,在不同的初始温度密度条件下考察了α粒子慢化对等离子体聚变燃烧的影响。随后导出了考虑慢化的α粒子提供给等离子体中的电子和离子的能源项,用类似的方法建立了考虑α粒子慢化的三温模型,与瞬时沉积能量的三温模型作了对比,更为细致地研究了在燃烧过程中考虑α粒子的慢化过程对电子温度、离子温度和粒子数密度的影响。 第五章是总结和展望。总结了前面的研究工作,指出了工作中需要改进的地方,并给出了进一步研究的工作方向。


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