钨偏滤器靶板粗糙表面在氘离子轰击下的形貌变化模拟研究

发布时间：2020-04-18 01:10

【摘要】：等离子体与器壁相互作用过程主要包括物理溅射、化学侵蚀、背散射、解吸等物理和化学机制。这些反应会威胁到器壁的性能和使用寿命,严重影响聚变反应的进行。在不同的聚变装置中,偏滤器靶板粗糙表面所引起的非均匀侵蚀沉积行为被大量实验所证实,粗糙靶板表面凸起部位更容易被侵蚀,而凹陷部位会沉积大量的侵蚀材料。蒙特卡罗代码SURO对13CH4注入TEXTOR装置粗糙限制器表面13C沉积行为的研究取得了较大的成功。目前对氘离子轰击三维粗糙表面导致其形貌变化的研究工作相对较少,然而三维模型下的等离子体与粗糙靶板相互作用是等离子体与器壁相互作用不可缺少的一部分,对进一步了解内部反应机理具有十分重要的意义。本文将三维SURO与一维PIC-MCC代码SDPIC结合研究了聚变装置中钨偏滤器靶板粗糙表面在氘离子轰击下的形貌演化情况。偏滤器区域边缘等离子体信息由SDPIC代码模拟给出,其模拟结果作为SURO代码的输入参数；SURO代码用于计算局域角(入射方向与粗糙表面法线的夹角),粗糙表面的侵蚀沉积以及粗糙靶板表面演化情况。本研究内容分为四部分,第一部分是对不同等离子体密度下,粗糙靶板表面侵蚀沉积行为的研究；第二部分是在不同磁场角度下,名义角、局域角的变化以及粗糙表面演化情况的研究。第三部分模拟研究了不同特征长度对粗糙靶板表面侵蚀沉积、表面演化以及局域角分布情况的影响。第四部分研究了不同初始表面形貌对粗糙靶板表面演化的影响。模拟结果显示,在不同等离子体密度下,背景氘离子由于磁场以及电场的影响,方位角分布呈细长状态,对于名义角分布,大部分粒子的入射角度保持在50-70度之间。不同模拟区域侵蚀沉积分布出现不均匀的现象,侵蚀主要发生在表面凸起部位,沉积主要发生在凹陷部位。模拟初始时刻侵蚀率低,沉积率高,到达稳态后侵蚀率高,沉积率低。对于不同磁场角度下的表面演化情况的模拟发现,随着磁场角度的增加,氘离子对钨靶板的侵蚀率也不断增加,侵蚀率甚至变化了一个数量级的大小。磁场角度越大,沉积率越高,粗糙靶板表面形貌演化越明显。在不同特征长度下,背景氘离子局域角的概率密度随着特征长度增大而不断增加,局域角分布范围变得更加狭窄,非对称性变得更加明显,概率密度函数出现峰值时的角度逐渐增大。在模拟的初始阶段,特征长度越大,粗糙靶板侵蚀率越高,沉积率越低,表面演化情况越明显。对于不同初始表面形貌下表面演化情况的模拟研究,与真实粗糙靶板表面对比发现,使用参考案例表面形貌所模拟的侵蚀率偏高,沉积率偏低,并且沉积所造成的影响是不可忽视的。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL612

【参考文献】