【摘要】：在核聚變裝置中,背景等離子體與面向等離子體部件之間相互作用決定了部件的壽命,這是核聚變裝置的可行性的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)。此外,侵蝕出的雜質(zhì)粒子可以輸運(yùn)很長的距離,并與燃料物種發(fā)生復(fù)合沉積,形成含有大量氚的復(fù)合沉積層,這些復(fù)合沉積層的形成會(huì)是核聚變裝置可行性及安全性的主要限制因素。因此,為了更好地理解其中包含的潛在機(jī)理和采取有效的措施減輕凈侵蝕和氚滯留,開展等離子體與壁作用,雜質(zhì)輸運(yùn)和沉積的研究就變得很重要。 本論文采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了在偏濾器區(qū)域的雜質(zhì)輸運(yùn)、沉積、氚滯留、粗糙表面對(duì)雜質(zhì)沉積的影響以及邊緣局域模對(duì)于偏濾器靶板的侵蝕的研究。本文開發(fā)了一套用蒙特卡羅方法模擬雜質(zhì)輸運(yùn)、碰撞、沉積以及氚滯留程序ITCD(Impurity Transport Collision and Deposition),并且ITCD與其他動(dòng)力學(xué)程序相結(jié)合,如程序EPPIC(Edge Plasma Particle In Cell),可以自洽的計(jì)算雜質(zhì)的空間分布,沉積速率以及氚的滯留量。另外,本文還開發(fā)了SURO(SUrface ROughness)程序?qū)Υ植诒砻嬖诘入x子體轟擊下的演化過程,粗糙表面對(duì)雜質(zhì)的沉積量影響等物理機(jī)制進(jìn)行了深入的模擬研究。最后,本文開發(fā)了動(dòng)力學(xué)程序SDPIC(SOL and Divertor Particle-In-Cell)進(jìn)行了在邊緣局域模的情況下對(duì)偏濾器靶板侵蝕的研究。具體內(nèi)容安排如下： 第二章,開發(fā)了ITCD程序,并與一維的EPPIC程序結(jié)合,組成KEPIT (Kinetic Edge PlasmaImpurity Transport)程序包,計(jì)算研究碳物種雜質(zhì)在偏濾器靶板附近輸運(yùn)以及空間密度分布。一維的EPPIC程序主要應(yīng)用于計(jì)算到達(dá)靶板的粒子流、能流,并用PSI模塊計(jì)算侵蝕產(chǎn)率,計(jì)算得到的侵蝕產(chǎn)率作為輸入?yún)?shù)被ITCD程序使用,然后利用ITCD程序模擬跟蹤碳雜質(zhì)的輸運(yùn)、碰撞以及沉積,計(jì)算得到碳物種雜質(zhì)在偏濾器靶板上的空間密度分布。同時(shí)研究了等離子體溫度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和角度對(duì)碳物種雜質(zhì)在偏濾器靶板上的空間密度分布的影響。模擬發(fā)現(xiàn)在距離偏濾器靶板3-4mm處,在高的等離子體溫度,較小的磁場(chǎng)入射角度和強(qiáng)度條件下會(huì)形成一個(gè)密度峰。 第三章,使用ITCD程序,并與二維的EPPIC程序結(jié)合,組成KEPIT程序包,計(jì)算研究碳物種雜質(zhì)在偏濾器區(qū)域以及在瓦片之間的間隙內(nèi)輸運(yùn)、沉積以及燃料的滯留。二維的EPPIC程序主要應(yīng)用于計(jì)算在瓦片間隙入口處的電勢(shì)分布,還計(jì)算到達(dá)靶板的粒子流、能流,并用PSI模塊計(jì)算侵蝕產(chǎn)率,計(jì)算得到的侵蝕產(chǎn)率作為輸入?yún)?shù)被ITCD程序使用,然后利用ITCD程序模擬跟蹤碳雜質(zhì)的輸運(yùn)、碰撞以及沉積,計(jì)算得到偏濾器區(qū)域以及在瓦片之間的間隙內(nèi)的沉積分布和燃料滯留量。同時(shí)研究了基底溫度和等離子體溫度對(duì)瓦片之間的間隙內(nèi)燃料滯留量的影響。此外,還對(duì)在間隙內(nèi)沉積的侵蝕碳物種的來源,以及物理濺射和化學(xué)侵蝕對(duì)于碳源的影響進(jìn)行了深入的分析研究。還進(jìn)一步模擬研究了侵蝕機(jī)理,等離子體溫度,電勢(shì)峰以及反射系數(shù)等因素對(duì)于中性和帶電的碳物種在間隙內(nèi)沉積的影響。根據(jù)模擬結(jié)果,對(duì)于ITER裝置,粗略地估算大概放電10’～105次后,在間隙內(nèi)的氚滯留的量會(huì)達(dá)到安全限制值700g。 第四章,開發(fā)了SURO程序,并與蒙特卡羅雜質(zhì)輸運(yùn)程序ERO結(jié)合,研究在TEXTOR裝置上的13CH4注入實(shí)驗(yàn)中粗糙表面對(duì)于13C沉積特性的影響。模擬中主要分為兩個(gè)區(qū)域：刮削層等離子體區(qū)域,粒子的輸運(yùn)由ERO程序處理；靠近表面的區(qū)域,粒子與光滑和粗糙表面的相互作用由SURO處理。 ERO程序計(jì)算沉積到限制器表面的粒子流量、角度分布、入射能量等信息；這些信息作為輸入?yún)?shù)被SURO使用。模擬研究了對(duì)于不同的表面粗糙度,’2C和13C的粒子流條件下13C粒子的沉積特性。同時(shí)研究了粗糙表面在等離子體轟擊下的演化過程。對(duì)于TEXTOR裝置,使粗糙表面變得光滑的輻照時(shí)間大概在7000s,這個(gè)時(shí)間大概比ITER情況高2個(gè)數(shù)量級(jí)。 第五章,開發(fā)了一維的SDPIC程序,開展了邊緣局域模對(duì)偏濾器靶板侵蝕的動(dòng)力學(xué)模擬研究。針對(duì)EAST裝置,使用SDPIC程序計(jì)算在邊緣局域模發(fā)生的過程中,在偏濾器靶板上的能流分布情況。然后根據(jù)粒子轟擊靶板的物理信息(粒子能量、入射角度、粒子流量等)計(jì)算對(duì)靶板的侵蝕速率。同時(shí)研究了邊緣局域模持續(xù)時(shí)間的不同對(duì)于偏濾器靶板上的能流分布和相應(yīng)的侵蝕速率的影響。當(dāng)ELMs持續(xù)時(shí)間是50μ s,100m和200μs時(shí),靶板的能量峰值分別是3.2MWm2,6.0MWm-2和15.0MWm2。對(duì)于碳材料靶板,侵蝕產(chǎn)率的峰值分別為3.1X108ms1,5.7X108ms-1和1.0×107ms1；對(duì)于鎢材料靶板,侵蝕產(chǎn)率的峰值分別為1.5×108ms1,2.4×108ms-1和5.0×108ms-1。碳材料靶板溫度的峰值大約為520K,而鎢材料靶板溫度的峰值大約為510K。所以針對(duì)目前的EAST裝置的等離子體參數(shù)來說,不會(huì)發(fā)生靶板熔化問題。
【圖文】：

圖1. 1 I TER示意圖Fig. 1.1 Schematic of ITER宄可以追溯到1956年，當(dāng)時(shí)制定的“十二年科學(xué)規(guī)劃在1958年，我國的中國科學(xué)院原子能研究所二部(現(xiàn)

偏濾器(Divertor)位形如圖1. 2右圖所示，通常采用具有一個(gè)X點(diǎn)或者兩個(gè)X點(diǎn)，，這時(shí)磁分界面就是最后封閉磁面LCFS。使用偏濾器位形可以將粒子流和熱流引濾器區(qū)域，讓熱流沉積在特設(shè)的IE板上，熱流所攜帶的能量通過熱傳導(dǎo)的方式，濾器的固體表面?zhèn)鹘o流體冷凝劑，被帶出托卡馬克裝置；并以特殊的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)使濺射產(chǎn)生的雜質(zhì)很難流回到主等離子體區(qū)[““]。此外，偏濾器還可以排除聚變裝
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TL62

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本文編號(hào)：2616848