邊界局域模熱負荷對鎢偏濾器靶板侵蝕的模擬研究.pdf

1、等離子體面壁材料的選擇是聚變裝置托卡馬克的關鍵問題，但到目前為止，還沒有真正合適的材料。鎢材料因為具有熱導率高、熔點高、濺射率低、氚滯留率低等優(yōu)點，成為首選的面壁材料。但是鎢材料在高瞬時熱流的作用下會熔化、汽化，熔化層在各種力（如表面張力、磁場力、壓強梯度力等）作用下的流動，導致材料形貌變化，影響材料的傳熱能力，誘發(fā)電弧，甚至液體鎢會以液滴的形式飛濺出去。這些作用不但縮短器壁的壽命，而且產生的鎢雜質（原子、塵埃顆粒、液滴）將嚴重威脅等離

2、子體運行。因此對瞬時熱流作用下鎢材料侵蝕的研究至關重要。
　　本論文利用數值方法模擬研究了邊界局域模(edge localized modes，ELMs)熱負荷對鎢偏濾器靶板的侵蝕。在未來聚變裝置例如國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)中強ELMs作用下，鎢偏濾器靶板會熔化，甚至汽化。在熔化和汽化過程中，相變界面隨時間不斷變化，熔化層流動也會導致液體表面的位置隨時間不斷變化。本論文根據研究問題的需要，對所建立的模型采用有限體積法追蹤

3、界面的位置，較理想地計算了鎢壁各個時刻的熔化速度及界面位置。論文在第一章緒論中介紹了工作的研究背景，第五章結論展望部分闡述了本工作的主要結論和創(chuàng)新點，其它各章研究內容分別為:
　　第二章，為研究ELMs熱流對鎢偏濾器靶板的侵蝕，把偏濾器靶板簡化為一個平板，建立了一維對流傳熱模型，考慮了熔化、汽化和熱輻射效應。利用自主開發(fā)的一維移動邊界對流傳熱程序，首先，針對EAST，采用實驗中取得的ELMs能流密度，計算了鎢靶板的表面溫度分布。計

4、算結果顯示當前第一類ELMs作用在鎢靶板上，在高約束模式運行時間取32 s情況下，靶板表面溫度從350 K增加到373 K，表明在當前的參數范圍內，只要避免其它更嚴重的瞬時事件如破裂的發(fā)生，ELMs本身不會帶來嚴重的威脅。然后，將ELMs的能量增加到接近未來ITER的能量范圍，計算了ELMs能流密度峰值、間隙間能流密度、頻率取不同值時，鎢偏濾器靶板的溫度分布和熔化厚度。研究發(fā)現(xiàn)，對于不同幅值的ELMs，當其它參數相同時，偏濾器靶板的表面

5、溫度（熔化厚度）與ELMs的能流密度峰值、間隙間能流密度以及頻率成正比。
　　第三章，建立了二維對流傳熱的自洽模型，研究鎢偏濾器靶板瓦片在類似ITER運行參數下ELMs過程中的侵蝕問題。針對不同形狀的鎢偏濾器靶板瓦片，考慮瓦片縫隙對等離子體行為、能流密度的影響，將利用二維邊緣等離子體動力學程序(2d3v PIC-MCC)計算得到的不同形狀瓦片表面的能流密度分布，作為自主開發(fā)的二維移動邊界對流傳熱程序的輸入參數，計算了ITER中三種

6、不同形狀瓦片（直角瓦片、斜邊瓦片、圓角瓦片）在發(fā)生ELMs過程中的侵蝕程度。研究結果表明，每一種形狀瓦片都是在面向入射等離子體一側棱邊區(qū)域的表面溫度最高，熔化厚度最大，汽化厚度最大;在相同的ELMs能流作用下，圓角瓦片的侵蝕程度最小，而且表面曲率半徑越大，侵蝕程度越小。論文中分析了這些結果的原因。
　　第四章，通過將二維熱傳導方程與流體力學的納維斯托克斯方程結合，建立了二維流體動力學模型，進一步研究在ELMs強熱流轟擊下，鎢熔化層

7、在表面張力、壓強梯度力、磁場力等力的作用下流動時，偏濾器靶板的侵蝕和形貌變化。在模型的數值求解中，采用交錯網格的方法進行離散，成功解決了液體表面追蹤的算法難點，保證了鎢偏濾器靶板侵蝕程度計算的準確性。研究結果表明，在ELMs過程中，鎢熔化層在表面張力、壓強梯度力、磁場力等各種力的作用下，會在熔化層兩側的邊緣區(qū)域形成類似山峰結構的凸起，加重鎢偏濾器靶板的侵蝕程度。如果不考慮磁場力的作用，在空間分布為高斯形狀能流的作用下熔化層兩側的山峰結構