偏濾器靶板的侵蝕及雜質輸運沉積的模擬研究.pdf

1、在核聚變裝置中，背景等離子體與面向等離子體部件之間相互作用決定了部件的壽命，這是核聚變裝置的可行性的一個重要參數(shù)指標。此外，侵蝕出的雜質粒子可以輸運很長的距離，并與燃料物種發(fā)生復合沉積，形成含有大量氚的復合沉積層，這些復合沉積層的形成會是核聚變裝置可行性及安全性的主要限制因素。因此，為了更好地理解其中包含的潛在機理和采取有效的措施減輕凈侵蝕和氚滯留，開展等離子體與壁作用，雜質輸運和沉積的研究就變得很重要。
　　本論文采用計算機數(shù)值

2、模擬的方法進行了在偏濾器區(qū)域的雜質輸運、沉積、氚滯留、粗糙表面對雜質沉積的影響以及邊緣局域模對于偏濾器靶板的侵蝕的研究。本文開發(fā)了一套用蒙特卡羅方法模擬雜質輸運、碰撞、沉積以及氚滯留程序ITCD(ImpurityTransport Collision and Deposition)，并且ITCD與其他動力學程序相結合，如程序EPPIC(Edge Plasma Particle In Cell)，可以自治的計算雜質的空間分布，沉積速率以及

3、氚的滯留量。另外，本文還開發(fā)了SURO(SUrface ROughness)程序對粗糙表面在等離子體轟擊下的演化過程，粗糙表面對雜質的沉積量影響等物理機制進行了深入的模擬研究。最后，本文開發(fā)了動力學程序SDPIC(SOL and Divertor Particle-In-Cell)進行了在邊緣局域模的情況下對偏濾器靶板侵蝕的研究。具體內容安排如下:
　　第二章，開發(fā)了ITCD程序，并與一維的EPPIC程序結合，組成KEPIT(Ki

4、netic EdgePlasma& Impurity Transport)程序包，計算研究碳物種雜質在偏濾器靶板附近輸運以及空間密度分布。一維的EPPIC程序主要應用于計算到達靶板的粒子流、能流，并用PSI模塊計算侵蝕產率，計算得到的侵蝕產率作為輸入?yún)?shù)被ITCD程序使用，然后利用ITCD程序模擬跟蹤碳雜質的輸運、碰撞以及沉積，計算得到碳物種雜質在偏濾器靶板上的空間密度分布。同時研究了等離子體溫度、磁場強度和角度對碳物種雜質在偏濾器靶板

5、上的空間密度分布的影響。模擬發(fā)現(xiàn)在距離偏濾器靶板3-4 mm處，在高的等離子體溫度，較小的磁場入射角度和強度條件下會形成一個密度峰。
　　第三章，使用ITCD程序，并與二維的EPPIC程序結合，組成KEPIT程序包，計算研究碳物種雜質在偏濾器區(qū)域以及在瓦片之間的間隙內輸運、沉積以及燃料的滯留。二維的EPPIC程序主要應用于計算在瓦片間隙入口處的電勢分布，還計算到達靶板的粒子流、能流，并用PSI模塊計算侵蝕產率，計算得到的侵蝕產率作

6、為輸入?yún)?shù)被ITCD程序使用，然后利用ITCD程序模擬跟蹤碳雜質的輸運、碰撞以及沉積，計算得到偏濾器區(qū)域以及在瓦片之間的間隙內的沉積分布和燃料滯留量。同時研究了基底溫度和等離子體溫度對瓦片之間的間隙內燃料滯留量的影響。此外，還對在間隙內沉積的侵蝕碳物種的來源，以及物理濺射和化學侵蝕對于碳源的影響進行了深入的分析研究。還進一步模擬研究了侵蝕機理，等離子體溫度，電勢峰以及反射系數(shù)等因素對于中性和帶電的碳物種在間隙內沉積的影響。根據(jù)模擬結果，

7、對于ITER裝置，粗略地估算大概放電104～105次后，在間隙內的氚滯留的量會達到安全限制值700 g。
　　第四章，開發(fā)了SURO程序，并與蒙特卡羅雜質輸運程序ERO結合，研究在TEXTOR裝置上的13CH4注入實驗中粗糙表面對于”C沉積特性的影響。模擬中主要分為兩個區(qū)域:刮削層等離子體區(qū)域，粒子的輸運由ERO程序處理;靠近表面的區(qū)域，粒子與光滑和粗糙表面的相互作用由SURO處理。 ERO程序計算沉積到限制器表面的粒子流量、角度

8、分布、入射能量等信息;這些信息作為輸入?yún)?shù)被SURO使用。模擬研究了對于不同的表面粗糙度，12C和13C的粒子流條件下13C粒子的沉積特性。同時研究了粗糙表面在等離子體轟擊下的演化過程。對于TEXTOR裝置，使粗糙表面變得光滑的輻照時間大概在7000s，這個時間大概比ITER情況高2個數(shù)量級。
　　第五章，開發(fā)了一維的SDPIC程序，開展了邊緣局域模對偏濾器靶板侵蝕的動力學模擬研究。針對EAST裝置，使用SDPIC程序計算在邊緣局

9、域模發(fā)生的過程中，在偏濾器靶板上的能流分布情況。然后根據(jù)粒子轟擊靶板的物理信息（粒子能量、入射角度、粒子流量等）計算對靶板的侵蝕速率。同時研究了邊緣局域模持續(xù)時間的不同對于偏濾器靶板上的能流分布和相應的侵蝕速率的影響。當ELMs持續(xù)時間是50μs，100μs和200μs時，靶板的能量峰值分別是3.2MWm-2，6.0 MWm-2和15.0Mwm-2。對于碳材料靶板，侵蝕產率的峰值分別為3.1×10-8ms-1，5.7×10-8 ms-1