托卡馬克偏濾器靶板侵蝕及一維刮削層物理的粒子模擬研究.pdf

1、托卡馬克是最可能實(shí)現(xiàn)可控磁約束核聚變的實(shí)驗(yàn)裝置之一。等離子體與器壁相互作用是托卡馬克研究中最重要的問題之一，其直接影響裝置的壽命以及穩(wěn)態(tài)可控放電，而偏濾器是等離子體與器壁相互作用的主要區(qū)域。在高等離子體熱流轟擊下，尤其是邊緣局域模和等離子體破裂情況，偏濾器靶板會受到損傷，從而縮短托卡馬克裝置的壽命。另外等離子體轟擊器壁材料會濺射產(chǎn)生雜質(zhì)，進(jìn)入芯部的雜質(zhì)太多可能引起芯部等離子體熄火。托卡馬克實(shí)驗(yàn)復(fù)雜且成本高昂，數(shù)值模擬為等離子體與器壁相互

2、作用研究提供一個(gè)非常重要的研究手段。
　　由于生產(chǎn)工藝限制以及等離子體轟擊，偏濾器靶板表面具有不同程度的粗糙度，相應(yīng)的物理濺射也會有所不同。另外，為了減小熱應(yīng)力及渦旋電流效應(yīng)，偏濾器靶板是由很多瓦片拼接而成，瓦片之間的縫隙會引起燃料滯留和加劇瓦片邊緣濺射等問題。為了研究這些問題，需要關(guān)注靶板附近等離子體密度和溫度等參數(shù)的分布，而這些參數(shù)又與整個(gè)刮削層密切相關(guān)。本文開發(fā)了一維和二維的并行粒子程序，對偏濾器靶板侵蝕及刮削層等離子體的相

3、關(guān)問題進(jìn)行模擬研究。第一章介紹了本文研究背景，第二章給出了本文采用的數(shù)值方法和模擬程序，其它各章研究內(nèi)容分別為:
　　第三章采用二維粒子程序，應(yīng)用階梯網(wǎng)格的方法處理不規(guī)則邊界，自洽地計(jì)算了碳靶粗糙壁附近的電勢分布，并研究了等離子體溫度、粗糙表面形貌和磁場強(qiáng)度對氘離子局域角分布和物理濺射產(chǎn)額的影響。結(jié)果顯示，等離子體溫度對物理濺射的影響主要源于離子轟擊能量;物理濺射產(chǎn)額隨著粗糙壁谷底寬度以及磁場強(qiáng)度的增加而增加。
　　第四章依

4、然采用二維粒子程序，模擬研究了不同形狀的瓦片邊緣對熱流密度分布的影響，以及低Z雜質(zhì)離子對瓦片的物理濺射，為偏濾器瓦片設(shè)計(jì)提供參考。模擬發(fā)現(xiàn)，在縫隙面向等離子體的瓦片邊緣附近，等離子體粒子流密度、熱流密度以及雜質(zhì)離子的侵蝕速率非常高。對于極向縫隙，面向等離子體一側(cè)的瓦片邊緣做成圓邊會降低熱流密度峰值。
　　第五章采用一維粒子程序模擬研究了刮削層等離子體沿磁力線的輸運(yùn)過程，以及碳原子注入和氘再循環(huán)對等離子體的影響。自洽地計(jì)算了等離子體