托卡马克装置中纳米灰尘与面向等离子体材料相互作用的模拟与分析

发布时间：2020-04-03 04:05

【摘要】：灰尘问题是困扰核聚变实现商业应用的主要难点之一。灰尘不但是杂质的来源之一,使等离子体控制变得困难,更会与面向等离子体材料发生相互作用,造成材料表面的改性甚至造成损伤,形成溅射原子。本文较为系统的研究了灰尘与面向等离子体材料相互作用过程。本文首先分析了在等离子体鞘层中灰尘所受电场力,并与其他受力,如摩擦力、重力等力进行比较,得出灰尘颗粒在等离子体鞘层中的运动方程,为灰尘与材料相互作用提供灰尘的初始入射速度。其次本文应用分子动力学方法对灰尘与面向等离子体材料的相互作用过程进行了模拟,模拟结果表明,灰尘的入射速度、数目、以及尺寸都与作用结果相关。最后本文根据碰撞理论对灰尘与面向等离子体材料相互作用进行了理论分析,提出了能够预测灰尘与材料相互作用结果的分析预测模型。在对处于等离子体鞘层中的灰尘颗粒进行分析的工作中,本文使用双球坐标系以及双极坐标系,分别对灰尘未接触面向等离子体材料表面以及接触材料表面两种情况进行了解析计算,得出了有灰尘存在下等离子体鞘层的电场分布,并求得了灰尘表面电荷密度分布以及灰尘电势与灰尘电荷的关系。基于这些结果,本文得出了灰尘在等离子体鞘层中的所受电场力,并与灰尘可能受到的其他力进行了比较,求出了灰尘在鞘层中的受力方程,进而得出灰尘入射到材料表面时的速度,为灰尘与面向等离子体材料相互作用的模拟提供了基础。本文讨论了诸多可能影响灰尘与面向等离子体材料的因素,如灰尘入射速度/能量、灰尘尺寸、数目、角度以及材质。由于ITER将使用铍和钨作为第一壁和偏滤器材料,本文讨论了铍、钨灰尘与铍、钨面向等离子体材料的相互作用。结果表明,根据入射能量的不同,灰尘对模型等离子体材料的影响有三种,入射能量较低的灰尘颗粒会粘附在材料表面且不发生变形,多个灰尘入射的情况下会形成疏松的薄膜,入射速度较高的灰尘颗粒可能形成致密的薄膜但基本不会对材料表面造成损伤。当超高速的灰尘颗粒入射到材料表面时,会对材料造成损伤,损伤程度与入射灰尘颗粒的速度与尺寸有关。同时,不同材质的灰尘和材料表面的作用结果是不同的,较轻的灰尘颗粒,如铍灰尘,难以对材料造成损伤,而较重的钨灰尘则易于对材料造成损伤。由于灰尘与面向等离子体材料相互作用的研究方法与原子团簇与固体材料相互作用的方法是相同的,因此本文在讨论了托卡马克灰尘问题的基础上,在一定程度上扩展了本论文研究的范围,在此基础上进一步讨论了团簇在固体表面造成的溅射和弹坑的情况。基于守恒律和碰撞理论,本文进一步提出了灰尘与面向等离子体材料相互作用的分析预测模型。通过与分子动力学模拟结果以及其他文献中的模拟实验结果的比较,该模型能够较为准确的预测灰尘的变形阈值、材料的损伤阈值以及形成弹坑的尺寸。本文使用分析预测模型预测了其他可能的材质的灰尘的行为,如铁、钼、碳灰尘。本文的结果有助于对面向等离子体材料寿命的预测以及在长时间运行中面向等离子体材料表面性质的了解,并且加深了对灰尘的认识,不仅能够为EAST壁材料研究,还可以为ITER及未来装置的设计与运行提供科学基础与宝贵经验。
【图文】：

路线图,聚变电站,示范性,托卡马克装置

次于国际空间站的又一个国际大科学项目。图1.1为从目前的托卡马克装置走向未来示范性聚变核电站以及商业聚变电站的路径。在现有理论和技术的基础上建设国际热核反应聚变堆ITER，建立ITER的主要目的是研宄包括等离子体加热、输运、瑞流等等一些等离子体物理问题，在此基础上过渡到DEM?的建设，最终发展成可商用的聚变电站，实现在地球上制造"太阳”的伟大梦想P然而科学家们发现从ITER过渡到DEMO仍旧需要几个问题，其一是面向等离子体材料问题，，其二是l#（T)自持问题，而ITER本身对此并不涉及。面向等离子体材料问题包括在高热负荷情况下材料的性质，中子辐照效应等问题。由于氤是聚变反应的燃料之一，而且■的生产成本3

真空室,超导磁体,聚变产物,等离子体

第1章绪论触的主要部分。偏滤器负责排除聚变产物和杂质气体。加热系统位于真空室壁上，用于加热等离子体。通过巨大的电流，超导磁体可以产生强大的磁场以限制等离子体的位形。冷屏在真空室外部，作用相当于一个巨型冰箱，保持真空室外的低温以维持超导磁体的运行。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL631.24

【参考文献】