托卡马克中偏滤器材料的溅射行为研究

摘要

偏滤器是环形聚变装置(如：托卡马克)的重要组成部分，它将中心等离子放电产生的带电粒子偏滤到一个单独的腔室中。在此室内粒子轰击挡板，变为中性粒子被抽走，避免了带电粒子轰击主室壁释放出次级粒子，影响约束区边缘的磁场位形。同时偏滤器挡板还会受到能量高达几MeV甚至十几MeV的快中子的轰击，使得其损坏率极高。因此开展偏滤器材料的溅射行为研究对提高偏滤器靶材料的寿命以及维持等离子体稳定运行具有重要的意义。本文研究了等离子体轰击不同粗糙程度的靶材料溅射产额的变化情况，同时提出了一个可行的计算中子溅射产额的公式。
　　首先，基于二体碰撞近似的Monte-Carlo动力学方法，通过追踪几千甚至更多粒子的运动速度、空间位置及其能量变化，模拟了材料表面光滑情况下，氢（H）、氦（He）、碳（C）、铍（Be）离子轰击钨（W）材料表面的溅射产额。结果表明随入射粒子能量的增加，四种带电粒子的溅射产额都是先增加后降低，相同情况下高原子序数（Z）材料溅射产额高于低原子序数材料。在经历一段时间的高能粒子轰击后，W材料的靶面随时间出现不同粗糙程度的变化。为此设定几种不同的粗糙表面，并对不同粗糙度时的溅射率进行数值模拟。结果显示随着粗糙程度的增加，溅射率降低。
　　其次，通过建立分层模型，研究了快中子轰击偏滤器材料的溅射过程。提出了一个计算中子溅射产额的公式，计算了59Co(n,α)56Mn，27Al(n,p)27Mg，184W(n,x)182Ta反应引起的靶材料溅射产额。结果分别为1.591×10-9，2.10×10-9，1.41×10-9，与实验结果基本符合。这为以后聚变堆或者裂变堆中受中子辐照材料的损伤研究提供了一个新的思路。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要内容

第2章 材料辐照损伤

2.1 材料辐照效应的分类

2.2 晶体缺陷

2.3 辐照过程的基本理论

2.4 聚变装置材料的辐照损伤

2.5 本章小结

第3章 带电离子轰击材料表面引起的溅射产额

3.1 理论模型

3.2 材料表面模型

3.3 数值计算及分析

3.4 本章小结

第4章 聚变中子轰击材料表面引起的溅射产额

4.1 分层模型

4.2 计算结果

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢