【摘要】：灰塵問題是困擾核聚變實現商業(yè)應用的主要難點之一�；覊m不但是雜質的來源之一,使等離子體控制變得困難,更會與面向等離子體材料發(fā)生相互作用,造成材料表面的改性甚至造成損傷,形成濺射原子。本文較為系統(tǒng)的研究了灰塵與面向等離子體材料相互作用過程。本文首先分析了在等離子體鞘層中灰塵所受電場力,并與其他受力,如摩擦力、重力等力進行比較,得出灰塵顆粒在等離子體鞘層中的運動方程,為灰塵與材料相互作用提供灰塵的初始入射速度。其次本文應用分子動力學方法對灰塵與面向等離子體材料的相互作用過程進行了模擬,模擬結果表明,灰塵的入射速度、數目、以及尺寸都與作用結果相關。最后本文根據碰撞理論對灰塵與面向等離子體材料相互作用進行了理論分析,提出了能夠預測灰塵與材料相互作用結果的分析預測模型。 在對處于等離子體鞘層中的灰塵顆粒進行分析的工作中,本文使用雙球坐標系以及雙極坐標系,分別對灰塵未接觸面向等離子體材料表面以及接觸材料表面兩種情況進行了解析計算,得出了有灰塵存在下等離子體鞘層的電場分布,并求得了灰塵表面電荷密度分布以及灰塵電勢與灰塵電荷的關系�；谶@些結果,本文得出了灰塵在等離子體鞘層中的所受電場力,并與灰塵可能受到的其他力進行了比較,求出了灰塵在鞘層中的受力方程,進而得出灰塵入射到材料表面時的速度,為灰塵與面向等離子體材料相互作用的模擬提供了基礎。 本文討論了諸多可能影響灰塵與面向等離子體材料的因素,如灰塵入射速度/能量、灰塵尺寸、數目、角度以及材質。由于ITER將使用鈹和鎢作為第一壁和偏濾器材料,本文討論了鈹、鎢灰塵與鈹、鎢面向等離子體材料的相互作用。結果表明,根據入射能量的不同,灰塵對模型等離子體材料的影響有三種,入射能量較低的灰塵顆粒會粘附在材料表面且不發(fā)生變形,多個灰塵入射的情況下會形成疏松的薄膜,入射速度較高的灰塵顆粒可能形成致密的薄膜但基本不會對材料表面造成損傷。當超高速的灰塵顆粒入射到材料表面時,會對材料造成損傷,損傷程度與入射灰塵顆粒的速度與尺寸有關。同時,不同材質的灰塵和材料表面的作用結果是不同的,較輕的灰塵顆粒,如鈹灰塵,難以對材料造成損傷,而較重的鎢灰塵則易于對材料造成損傷。由于灰塵與面向等離子體材料相互作用的研究方法與原子團簇與固體材料相互作用的方法是相同的,因此本文在討論了托卡馬克灰塵問題的基礎上,在一定程度上擴展了本論文研究的范圍,在此基礎上進一步討論了團簇在固體表面造成的濺射和彈坑的情況。 基于守恒律和碰撞理論,本文進一步提出了灰塵與面向等離子體材料相互作用的分析預測模型。通過與分子動力學模擬結果以及其他文獻中的模擬實驗結果的比較,該模型能夠較為準確的預測灰塵的變形閾值、材料的損傷閾值以及形成彈坑的尺寸。本文使用分析預測模型預測了其他可能的材質的灰塵的行為,如鐵、鉬、碳灰塵。 本文的結果有助于對面向等離子體材料壽命的預測以及在長時間運行中面向等離子體材料表面性質的了解,并且加深了對灰塵的認識,不僅能夠為EAST壁材料研究,還可以為ITER及未來裝置的設計與運行提供科學基礎與寶貴經驗。
【圖文】：

次于國際空間站的又一個國際大科學項目。圖1.1為從目前的托卡馬克裝置走向未來示范性聚變核電站以及商業(yè)聚變電站的路徑。在現有理論和技術的基礎上建設國際熱核反應聚變堆ITER，建立ITER的主要目的是研宄包括等離子體加熱、輸運、瑞流等等一些等離子體物理問題，在此基礎上過渡到DEM?的建設，最終發(fā)展成可商用的聚變電站，實現在地球上制造"太陽”的偉大夢想P然而科學家們發(fā)現從ITER過渡到DEMO仍舊需要幾個問題，其一是面向等離子體材料問題，，其二是l#（T)自持問題，而ITER本身對此并不涉及。面向等離子體材料問題包括在高熱負荷情況下材料的性質，中子輻照效應等問題。由于氤是聚變反應的燃料之一，而且■的生產成本3

第1章緒論 觸的主要部分。偏濾器負責排除聚變產物和雜質氣體。加熱系統(tǒng)位于真空室壁上，用于加熱等離子體。通過巨大的電流，超導磁體可以產生強大的磁場以限制等離子體的位形。冷屏在真空室外部，作用相當于一個巨型冰箱，保持真空室外的低溫以維持超導磁體的運行。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TL631.24

【參考文獻】

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1 萬元熙;;核聚變能源和超導托卡馬克——“九五”重大科學工程EAST通過國家驗收[J];中國科學院院刊;2007年03期

本文編號：2612906