托卡马克偏滤器靶板侵蚀及一维刮削层物理的粒子模拟研究

发布时间：2020-09-11 19:30

　　 托卡马克是最可能实现可控磁约束核聚变的实验装置之一。等离子体与器壁相互作用是托卡马克研究中最重要的问题之一,其直接影响装置的寿命以及稳态可控放电,而偏滤器是等离子体与器壁相互作用的主要区域。在高等离子体热流轰击下,尤其是边缘局域模和等离子体破裂情况,偏滤器靶板会受到损伤,从而缩短托卡马克装置的寿命。另外等离子体轰击器壁材料会溅射产生杂质,进入芯部的杂质太多可能引起芯部等离子体熄火。托卡马克实验复杂且成本高昂,数值模拟为等离子体与器壁相互作用研究提供一个非常重要的研究手段。由于生产工艺限制以及等离子体轰击,偏滤器靶板表面具有不同程度的粗糙度,相应的物理溅射也会有所不同。另外,为了减小热应力及涡旋电流效应,偏滤器靶板是由很多瓦片拼接而成,瓦片之间的缝隙会引起燃料滞留和加剧瓦片边缘溅射等问题。为了研究这些问题,我们需要关注靶板附近等离子体密度和温度等参数的分布,而这些参数又与整个刮削层密切相关。本文开发了一维和二维的并行粒子程序,对偏滤器靶板侵蚀及刮削层等离子体的相关问题进行模拟研究。第一章介绍了本文研究背景,第二章给出了本文采用的数值方法和模拟程序,其它各章研究内容分别为:第三章采用二维粒子程序,应用阶梯网格的方法处理不规则边界,自洽地计算了碳靶粗糙壁附近的电势分布,并研究了等离子体温度、粗糙表面形貌和磁场强度对氘离子局域角分布和物理溅射产额的影响。结果显示,等离子体温度对物理溅射的影响主要源于离子轰击能量;物理溅射产额随着粗糙壁谷底宽度以及磁场强度的增加而增加。第四章依然采用二维粒子程序,模拟研究了不同形状的瓦片边缘对热流密度分布的影响,以及低Z杂质离子对瓦片的物理溅射,为偏滤器瓦片设计提供参考。模拟发现,在缝隙面向等离子体的瓦片边缘附近,等离子体粒子流密度、热流密度以及杂质离子的侵蚀速率非常高。对于极向缝隙,面向等离子体一侧的瓦片边缘做成圆边会降低热流密度峰值。第五章采用一维粒子程序模拟研究了刮削层等离子体沿磁力线的输运过程,以及碳原子注入和氘再循环对等离子体的影响。自洽地计算了等离子体密度、温度和电势等分布以及等离子体鞘层结构,并给出了靶板附近电子和离子的速度分布函数。模拟结果显示,在注入碳原子或考虑氘再循环情况下,靶板附近的电子密度升高,电子温度降低,鞘层电势降降低,入射到靶板的热流降低,从而降低等离子体对靶板的侵蚀。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TL631.24
【部分图文】：

产物中存在中子，这个中子还可以再次进行此反应，这对氚增殖是非常有利的。锂６和逡逑锂７都是稳定的元素，在自然界中储量也很丰富，可使用３千万年［１５］。锂６在自然界的逡逑丰度是７．５％，锂７的丰度是９２．５％。图１．３给出了几种元素被中子轰击进行l#增殖的反逡逑应截面［１４，１６，１７］，从图中可以看出，低能中子基本只与锂６发生反应，而当中子能量大于逡逑５邋ＭｅＶ时，式１．１３的反应截面大于式１．１２的反应截面。根据式１．６氖l#反应产生的中逡逑子能量为１４．１邋ＭｅＶ，因此高能中子开始主要进行式１．１３的反应，在反应中会损失能量，逡逑当能量小于５邋ＭｅＶ时，主要发生式１．１２的反应。对于铍和铅，高能中子可以与之反应，逡逑但是低能中子不能，氚增值效率低。逡逑１０１邋：：：ｒ邋ｒ－Ｔ＇－ｐｒ－ｉｒｎＭｍ逦＼＂＼＼＼＼＼＼邋＾逡逑２邋二0＝二＝￣｜｜｜｜｜二逡逑＾逦（ｎ，0ｄ３Ｈ逦—￣ｊ逦Ｐｂ（ｎ，２ｎ）－．＞＾？＊＇逡逑ｉ逦ｌｕｉｉｍ逡逑匕邋一逦７Ｌｉ（ｎＪｎ／ａ）３Ｈ－，，ｑｉ逡逑１逦＝二二二：：：：：邋＝二逦丨一邋？逡逑１0ｒ２逦１0４逦１逦１０逡逑Ｎｅｕｔｒｏｎ邋ｅｎｅｒｇｙ

托卡马克偏滤器靶板侵蚀及一维刮削层物理的粒子模拟研究等离子体被约束在较低密度下，但是能量约束时间相对较长。磁约束聚变克（本文研究重点）和仿星器等，都是采用此策略。需要注意的一点是和聚变装置运行时间（等离子体放电时间）是不一样的。目前托卡马克体密度可以达到ｌ．0Ｘ１０２（）ｒｎ＿３量级，能量约束时间在秒量级。逡逑等离子体密度非常高但约束时间非常短。惯性约束就是这种情况，固态球被多束高能激光同时均匀照射。激光束照射会使小球表面受到很大向氚混合物被压缩到很高的密度。惯性约束等离子体密度要比托卡马克中出１１个量级，而约束时间在纳秒量级。逡逑卡马克装置介绍逡逑

行磁场方向却能自由运动，粒子和能量会很快损失掉，导致了能量约束时间太短。？个逡逑更好的方案是将磁场做成轮胎状的…个闭环，带电粒子沿着环向运动，避免上述线性装逡逑置中等离子体沿着磁场的损失，图１．５给出环磁场位型的剖面图以及带电粒子的漂移［１５Ｌ逡逑这种简单的环位型是非常不稳定的，环向磁场强度随着大环半径增大而减少，这导致了逡逑带电粒子的磁场梯度漂移，漂移速度如下：逡逑１逦ＶＢｘＢ逦，…、逡逑＝邋±邋－逦－邋Ｂ２逦（１邋－２４）逡逑离子和电子的漂移速度都在垂直方向，但是方向相反，正负电荷分离导致很强的电场产逡逑生。这个电场又导致了逦漂移，漂移速度沿大环径向向外，离子和电子漂移速度方向逡逑相同，等离子体整体有个向外的速度，最终毁坏约束。因为原来带电粒子的磁场梯度漂逡逑－１１邋－逡逑

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