偏滤器靶板的侵蚀及杂质输运沉积的模拟研究

发布时间：2020-04-06 18:08

【摘要】：在核聚变装置中,背景等离子体与面向等离子体部件之间相互作用决定了部件的寿命,这是核聚变装置的可行性的一个重要参数指标。此外,侵蚀出的杂质粒子可以输运很长的距离,并与燃料物种发生复合沉积,形成含有大量氚的复合沉积层,这些复合沉积层的形成会是核聚变装置可行性及安全性的主要限制因素。因此,为了更好地理解其中包含的潜在机理和采取有效的措施减轻净侵蚀和氚滞留,开展等离子体与壁作用,杂质输运和沉积的研究就变得很重要。本论文采用计算机数值模拟的方法进行了在偏滤器区域的杂质输运、沉积、氚滞留、粗糙表面对杂质沉积的影响以及边缘局域模对于偏滤器靶板的侵蚀的研究。本文开发了一套用蒙特卡罗方法模拟杂质输运、碰撞、沉积以及氚滞留程序ITCD(Impurity Transport Collision and Deposition),并且ITCD与其他动力学程序相结合,如程序EPPIC(Edge Plasma Particle In Cell),可以自洽的计算杂质的空间分布,沉积速率以及氚的滞留量。另外,本文还开发了SURO(SUrface ROughness)程序对粗糙表面在等离子体轰击下的演化过程,粗糙表面对杂质的沉积量影响等物理机制进行了深入的模拟研究。最后,本文开发了动力学程序SDPIC(SOL and Divertor Particle-In-Cell)进行了在边缘局域模的情况下对偏滤器靶板侵蚀的研究。具体内容安排如下：第二章,开发了ITCD程序,并与一维的EPPIC程序结合,组成KEPIT (Kinetic Edge PlasmaImpurity Transport)程序包,计算研究碳物种杂质在偏滤器靶板附近输运以及空间密度分布。一维的EPPIC程序主要应用于计算到达靶板的粒子流、能流,并用PSI模块计算侵蚀产率,计算得到的侵蚀产率作为输入参数被ITCD程序使用,然后利用ITCD程序模拟跟踪碳杂质的输运、碰撞以及沉积,计算得到碳物种杂质在偏滤器靶板上的空间密度分布。同时研究了等离子体温度、磁场强度和角度对碳物种杂质在偏滤器靶板上的空间密度分布的影响。模拟发现在距离偏滤器靶板3-4mm处,在高的等离子体温度,较小的磁场入射角度和强度条件下会形成一个密度峰。第三章,使用ITCD程序,并与二维的EPPIC程序结合,组成KEPIT程序包,计算研究碳物种杂质在偏滤器区域以及在瓦片之间的间隙内输运、沉积以及燃料的滞留。二维的EPPIC程序主要应用于计算在瓦片间隙入口处的电势分布,还计算到达靶板的粒子流、能流,并用PSI模块计算侵蚀产率,计算得到的侵蚀产率作为输入参数被ITCD程序使用,然后利用ITCD程序模拟跟踪碳杂质的输运、碰撞以及沉积,计算得到偏滤器区域以及在瓦片之间的间隙内的沉积分布和燃料滞留量。同时研究了基底温度和等离子体温度对瓦片之间的间隙内燃料滞留量的影响。此外,还对在间隙内沉积的侵蚀碳物种的来源,以及物理溅射和化学侵蚀对于碳源的影响进行了深入的分析研究。还进一步模拟研究了侵蚀机理,等离子体温度,电势峰以及反射系数等因素对于中性和带电的碳物种在间隙内沉积的影响。根据模拟结果,对于ITER装置,粗略地估算大概放电10’～105次后,在间隙内的氚滞留的量会达到安全限制值700g。第四章,开发了SURO程序,并与蒙特卡罗杂质输运程序ERO结合,研究在TEXTOR装置上的13CH4注入实验中粗糙表面对于13C沉积特性的影响。模拟中主要分为两个区域：刮削层等离子体区域,粒子的输运由ERO程序处理；靠近表面的区域,粒子与光滑和粗糙表面的相互作用由SURO处理。 ERO程序计算沉积到限制器表面的粒子流量、角度分布、入射能量等信息；这些信息作为输入参数被SURO使用。模拟研究了对于不同的表面粗糙度,’2C和13C的粒子流条件下13C粒子的沉积特性。同时研究了粗糙表面在等离子体轰击下的演化过程。对于TEXTOR装置,使粗糙表面变得光滑的辐照时间大概在7000s,这个时间大概比ITER情况高2个数量级。第五章,开发了一维的SDPIC程序,开展了边缘局域模对偏滤器靶板侵蚀的动力学模拟研究。针对EAST装置,使用SDPIC程序计算在边缘局域模发生的过程中,在偏滤器靶板上的能流分布情况。然后根据粒子轰击靶板的物理信息(粒子能量、入射角度、粒子流量等)计算对靶板的侵蚀速率。同时研究了边缘局域模持续时间的不同对于偏滤器靶板上的能流分布和相应的侵蚀速率的影响。当ELMs持续时间是50μ s,100m和200μs时,靶板的能量峰值分别是3.2MWm2,6.0MWm-2和15.0MWm2。对于碳材料靶板,侵蚀产率的峰值分别为3.1X108ms1,5.7X108ms-1和1.0×107ms1；对于钨材料靶板,侵蚀产率的峰值分别为1.5×108ms1,2.4×108ms-1和5.0×108ms-1。碳材料靶板温度的峰值大约为520K,而钨材料靶板温度的峰值大约为510K。所以针对目前的EAST装置的等离子体参数来说,不会发生靶板熔化问题。
【图文】：

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图1. 1 I TER示意图Fig. 1.1 Schematic of ITER宄可以追溯到1956年，当时制定的“十二年科学规划在1958年，我国的中国科学院原子能研究所二部(现

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偏滤器(Divertor)位形如图1. 2右图所示，通常采用具有一个X点或者两个X点，，这时磁分界面就是最后封闭磁面LCFS。使用偏滤器位形可以将粒子流和热流引滤器区域，让热流沉积在特设的IE板上，热流所携带的能量通过热传导的方式，滤器的固体表面传给流体冷凝剂，被带出托卡马克装置；并以特殊的磁场结构使溅射产生的杂质很难流回到主等离子体区[““]。此外，偏滤器还可以排除聚变装
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TL62

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