低能氢及其同位素原子轰击钨（001）表面的分子动力学模拟研究

发布时间：2020-07-04 22:34

【摘要】：在核反应装置中钨和钨合金凭借其低溅射腐蚀率,良好的热学性能,比如高熔点、高导热率、低氚滞留率,被认为是目前最有前途的面对等离子体壁的候选材料。然而,面对等离子体材料要承受高束流的氢同位素氘(D)和氚(T)的轰击,导致钨材料表面以及体内产生大量的空洞,带来氢同位素滞留问题；同时,可导致钨表面的起泡问题。另外,聚变反应时,在第一壁材料内产生的杂质和空位等缺陷会成为俘获氢的不饱和陷阱,从而易于形成团簇；这不但加重氚滞留问题,而且随着团簇的生长和扩张,第一壁材料原子核团簇会进入等离子区,污染等离子体,降低聚变效率。本文的前两章分别重点综述了文章的研究背景以及基本的研究原理；然后,三、四章则主要汇报了研究成果及分析讨论,内容安排如下：第三章重点研究了分子动力学方法对不同角度入射的低能氢粒子(0.5-50.0eV)与钨表面的相互作用的模拟结果。研究发现,当氢粒子垂直入射,能量为0.5-20.0eV时,粒子滞留在钨内部的概率急速增加,在模拟能量整个区间内,发生反射过程的概率逐渐减少但始终占主导。改变入射粒子的入射角度,滞留概率在某些能量范围内虽有所增加,但氢原子被反射现象仍然占主导。通过进一步观察粒子的入射深度和能量变化推断出粒子在钨块中的能量传递方向。这些结果对理解聚变反应中,钨材料的选用优势和化学腐蚀以及氢或氢同位素滞留有重大意义。此外,在所研究的能量范围内,分子动力学方法模拟结果与以二体理论为基础的TRIM程序的氢与钨模拟结果之间有明显差异,这说明,传统的二体碰撞理论不能很好的描述低能碰撞问题。第四章汇报了低能氢以及其同位素原子与钨(001)表面相互作用的分子动力学研究,深入探讨了氢原子的同位素效应。研究结果表明：粒子的反射概率主要依赖入射角度和入射能量,并且在一定的角度范围内,产生了沟道效应。通过分析氢及其同位素能量沉积规律得到：入射原子质量越大,越容易停留在钨块内；衬底自身的温度对结果也有较大的影响；原子质量,原子入射角度和能量都会对入射粒子的能量传递过程造成一定影响。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TL627
【图文】：

装置图,部件

缩实验中实现的，产生了可观测得到的受控热核反应中出来的中子。世界各国研究机构，为能创造出可将等离子体很好约束住的有效磁场位形而不断探索，曾建立了各种聚变实验装置。目前托克马克装置在各类装置中独占鳌头，受到广泛重视。托卡马克作为研究磁约束的重要装置，相继投入运行的各种不同的装置中，欧洲的 JET (Joint European Torus)和美国的 TFTR (The Tokamak Fusion Test Reactor),以及Q啽镜腏T (Japanese Torus) -60跟苏联的T (Tokamak) -15是其中四个最大的托克马克装置[4]。前三个托卡马克分别于1986年底、1983年中和1985年投入运行，并取得了让世人震惊的良好结果。更让人振奋鼓舞的是，于1991年11月9 FI在JET上首次成功的进行了Ml#聚变反应，如此便解^u了核聚变能源的神秘面纱，证实了它的可行性。科学可行性被证明，受控磁约束的技术可行性需要被证实。面对此项高难度高投入的国际计划，需要全球各国人民的合作和参与。1988年初，在国际原子能委员会的组织下，由美国、苏联、Q啽竞团分蘖猑u会讨论设计世界上第一个聚变反应堆的可能性问题。介于核聚变研究已取得的重大进展，决定由以上国家派出科学家共同设计这个计划，名为 ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) [5]。我国于 2006 年 11 月正式加入ITER计划。ITER装置图如下所示。

二维图,周期性边界条件,二维,实际模拟

图2.1周期性边界条件展示图（二维）t6]。play drawing of periodic boundary conditions(the two-dimensional case is showe，实际模拟区域一般会设定为|/;|<1/2<.若H模拟区

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