【摘要】：托卡馬克聚變裝置中,高溫高密度等離子體與器壁相互作用是影響器壁壽命的關(guān)鍵因素,也是衡量聚變裝置性能的重要指標(biāo)。偏濾器粗糙表面上發(fā)生的侵蝕和沉積行為,在實(shí)驗(yàn)中被廣泛觀測(cè)到。三維蒙特卡洛代碼SURO成功模擬了TEXTOR聚變裝置限制器粗糙表面的碳沉積行為,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。當(dāng)下,邊界等離子體與粗糙表面相互作用的研究是邊界等離子體領(lǐng)域的重要方向,相關(guān)研究的開展是十分有必要的。而三維模擬方法能更加精確地計(jì)算出侵蝕量和沉積量,使得侵蝕和沉積行為的數(shù)值模擬正越來(lái)越接近真實(shí)的物理過(guò)程。本文運(yùn)用三維蒙特卡洛程序SURO和一維粒子模擬程序SDPIC,研究EAST聚變裝置等離子體環(huán)境下,碳和氘離子對(duì)偏濾器靶板粗糙表面的侵蝕和沉積行為。分別針對(duì)碳離子單獨(dú)轟擊、碳和氘離子共同轟擊兩種狀態(tài)下,對(duì)碳靶板和鎢靶板兩種基底材料的侵蝕和沉積行為進(jìn)行數(shù)值模擬。研究過(guò)程中,通過(guò)粒子模擬程序SDPIC,模擬偏濾器區(qū)域等離子體輸運(yùn)行為,計(jì)算得到粒子轟擊到偏濾器靶板的粒子流分布、能流分布和角度分布。將SDPIC程序得到的結(jié)果,作為輸入?yún)?shù)傳遞給SURO程序,進(jìn)一步研究粗糙表面與等離子體相互作用的相關(guān)問(wèn)題。模型中,考慮了粒子與基底的相互作用層中不同材料的混合效應(yīng),與解析方法相比,更接近客觀物理事實(shí)。首先,模擬針對(duì)碳離子單獨(dú)轟擊靶板的情況,對(duì)侵蝕量和沉積量的時(shí)空分布進(jìn)行模擬。對(duì)兩種不同粗糙度的碳和鎢靶板,模擬得到基底侵蝕量局域密度的三維分布圖。對(duì)于不同碳離子流相對(duì)濃度1%、3%、6%、7%和8%,計(jì)算出碳和鎢靶板侵蝕量,以及背景碳離子的沉積量,并繪制出侵蝕量和沉積量對(duì)碳離子相對(duì)濃度的掃描分布圖。在碳離子單獨(dú)轟擊靶板的情況下,基底侵蝕量與基底表面粗糙度有關(guān)。侵蝕和沉積分布具有規(guī)律性,表面形貌的凸起位置更容易發(fā)生侵蝕,凹陷位置更容易發(fā)生沉積。對(duì)于同種材料的基底,相同粒子流轟擊時(shí),表面粗糙度越大,侵蝕量越小。這是因?yàn)?粗糙表面帶來(lái)更強(qiáng)的表面內(nèi)部反射效應(yīng),使得被侵蝕出來(lái)的粒子更難逃離表面。比較不同材料,當(dāng)其他條件相同時(shí),碳的侵蝕量要比鎢大。這是由于鎢的濺射閾值比碳要高。同時(shí),不同相對(duì)濃度的碳離子轟擊時(shí),基底侵蝕量基本保持不變。這是由于碳沉積層對(duì)基底材料的保護(hù)作用。進(jìn)一步,研究針對(duì)在碳和氘離子共同轟擊靶板的情況,對(duì)碳和鎢靶板的侵蝕量和沉積量進(jìn)行模擬。同時(shí),與只用碳離子單獨(dú)轟擊的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,分析侵蝕與沉積行為特征。第一,對(duì)侵蝕量和沉積量隨時(shí)間的演化進(jìn)行模擬。針對(duì)背景碳離子的沉積量、碳靶板的侵蝕量、鎢靶板的侵蝕量,繪制出時(shí)間分布圖,并與上部分碳離子單獨(dú)轟擊的情況進(jìn)行對(duì)比。模擬中,分別選取了1%和8%的碳離子相對(duì)濃度�？梢钥闯�,碳離子相對(duì)濃度較低(1%)時(shí),鎢基底侵蝕量相對(duì)較小。表面形貌保留相對(duì)完整,對(duì)沉積的背景碳離子起到保護(hù)作用,從而使碳離子沉積量不斷增加。碳離子相對(duì)濃度為8%時(shí),較強(qiáng)的轟擊,使得碳和鎢靶板表面形貌均發(fā)生改變,碳離子沉積量不斷增加。第二,選取1%和8%的碳離子相對(duì)濃度,模擬出1000s時(shí)刻的侵蝕和沉積行為,計(jì)算碳和鎢靶板的沉積量,并繪制出此刻沉積量分布圖樣。分析碳和鎢靶板在不同相對(duì)濃度下的沉積圖樣,發(fā)現(xiàn)1%碳離子轟擊下,鎢靶板的表面形貌對(duì)沉積的粒子起保護(hù)作用。這與時(shí)間演化圖得到的結(jié)論相符合。第三,針對(duì)碳和氘離子共同轟擊情況,計(jì)算出相對(duì)濃度1%、3%、6%、7%、8%和10%時(shí)的侵蝕量和沉積量,繪制出侵蝕量和沉積量對(duì)背景碳離子相對(duì)濃度的掃描分布圖。分析得出,在背景碳離子相對(duì)濃度從小到大變化過(guò)程中,靶板表面形貌的演變會(huì)對(duì)侵蝕和沉積產(chǎn)生影響,同時(shí),靶板會(huì)從侵蝕主導(dǎo)態(tài),轉(zhuǎn)變到沉積主導(dǎo)態(tài)。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TL631.24

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2739813