【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重要參數(shù)指標。此外,侵蝕出的雜質(zhì)粒子可以輸運很長的距離,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)輸運和沉積的研究就變得很重要。 本論文采用計算機數(shù)值模擬的方法進行了在偏濾器區(qū)域的雜質(zhì)輸運、沉積、氚滯留、粗糙表面對雜質(zhì)沉積的影響以及邊緣局域模對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、碰撞、沉積以及氚滯留程序ITCD(Impurity Transport Collision and Deposition),并且ITCD與其他動力學(xué)程序相結(jié)合,如程序EPPIC(Edge Plasma Particle In Cell),可以自洽的計算雜質(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,粗糙表面對雜質(zhì)的沉積量影響等物理機制進行了深入的模擬研究。最后,本文開發(fā)了動力學(xué)程序SDPIC(SOL and Divertor Particle-In-Cell)進行了在邊緣局域模的情況下對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,計算研究碳物種雜質(zhì)在偏濾器靶板附近輸運以及空間密度分布。一維的EPPIC程序主要應(yīng)用于計算到達靶板的粒子流、能流,并用PSI模塊計算侵蝕產(chǎn)率,計算得到的侵蝕產(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、碰撞以及沉積,計算得到碳物種雜質(zhì)在偏濾器靶板上的空間密度分布。同時研究了等離子體溫度、磁場強度和角度對碳物種雜質(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,較小的磁場入射角度和強度條件下會形成一個密度峰。 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、沉積以及燃料的滯留。二維的EPPIC程序主要應(yīng)用于計算在瓦片間隙入口處的電勢分布,還計算到達靶板的粒子流、能流,并用PSI模塊計算侵蝕產(chǎn)率,計算得到的侵蝕產(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、碰撞以及沉積,計算得到偏濾器區(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。同時研究了基底溫度和等離子體溫度對瓦片之間的間隙內(nèi)燃料滯留量的影響。此外,還對在間隙內(nèi)沉積的侵蝕碳物種的來源,以及物理濺射和化學(xué)侵蝕對于碳源的影響進行了深入的分析研究。還進一步模擬研究了侵蝕機理,等離子體溫度,電勢峰以及反射系數(shù)等因素對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)的氚滯留的量會達到安全限制值700g。 第四章,開發(fā)了SURO程序,并與蒙特卡羅雜質(zhì)輸運程序ERO結(jié)合,研究在TEXTOR裝置上的13CH4注入實驗中粗糙表面對于13C沉積特性的影響。模擬中主要分為兩個區(qū)域：刮削層等離子體區(qū)域,粒子的輸運由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。同時研究了粗糙表面在等離子體轟擊下的演化過程。對于TEXTOR裝置,使粗糙表面變得光滑的輻照時間大概在7000s,這個時間大概比ITER情況高2個數(shù)量級。 第五章,開發(fā)了一維的SDPIC程序,開展了邊緣局域模對偏濾器靶板侵蝕的動力學(xué)模擬研究。針對EAST裝置,使用SDPIC程序計算在邊緣局域模發(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)計算對靶板的侵蝕速率。同時研究了邊緣局域模持續(xù)時間的不同對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ELMs持續(xù)時間是50μ s,100m和200μs時,靶板的能量峰值分別是3.2MWm2,6.0MWm-2和15.0MWm2。對于碳材料靶板,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。所以針對目前的EAST裝置的等離子體參數(shù)來說,不會發(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，當時制定的“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X點或者兩個X點，，這時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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TL62

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本文編號：2616848