托卡马克偏滤器靶板侵蚀及一维刮削层物理的粒子模拟研究

摘要

托卡马克是最可能实现可控磁约束核聚变的实验装置之一。等离子体与器壁相互作用是托卡马克研究中最重要的问题之一，其直接影响装置的寿命以及稳态可控放电，而偏滤器是等离子体与器壁相互作用的主要区域。在高等离子体热流轰击下，尤其是边缘局域模和等离子体破裂情况，偏滤器靶板会受到损伤，从而缩短托卡马克装置的寿命。另外等离子体轰击器壁材料会溅射产生杂质，进入芯部的杂质太多可能引起芯部等离子体熄火。托卡马克实验复杂且成本高昂，数值模拟为等离子体与器壁相互作用研究提供一个非常重要的研究手段。
　　由于生产工艺限制以及等离子体轰击，偏滤器靶板表面具有不同程度的粗糙度，相应的物理溅射也会有所不同。另外，为了减小热应力及涡旋电流效应，偏滤器靶板是由很多瓦片拼接而成，瓦片之间的缝隙会引起燃料滞留和加剧瓦片边缘溅射等问题。为了研究这些问题，需要关注靶板附近等离子体密度和温度等参数的分布，而这些参数又与整个刮削层密切相关。本文开发了一维和二维的并行粒子程序，对偏滤器靶板侵蚀及刮削层等离子体的相关问题进行模拟研究。第一章介绍了本文研究背景，第二章给出了本文采用的数值方法和模拟程序，其它各章研究内容分别为:
　　第三章采用二维粒子程序，应用阶梯网格的方法处理不规则边界，自洽地计算了碳靶粗糙壁附近的电势分布，并研究了等离子体温度、粗糙表面形貌和磁场强度对氘离子局域角分布和物理溅射产额的影响。结果显示，等离子体温度对物理溅射的影响主要源于离子轰击能量;物理溅射产额随着粗糙壁谷底宽度以及磁场强度的增加而增加。
　　第四章依然采用二维粒子程序，模拟研究了不同形状的瓦片边缘对热流密度分布的影响，以及低Z杂质离子对瓦片的物理溅射，为偏滤器瓦片设计提供参考。模拟发现，在缝隙面向等离子体的瓦片边缘附近，等离子体粒子流密度、热流密度以及杂质离子的侵蚀速率非常高。对于极向缝隙，面向等离子体一侧的瓦片边缘做成圆边会降低热流密度峰值。
　　第五章采用一维粒子程序模拟研究了刮削层等离子体沿磁力线的输运过程，以及碳原子注入和氘再循环对等离子体的影响。自洽地计算了等离子体密度、温度和电势等分布以及等离子体鞘层结构，并给出了靶板附近电子和离子的速度分布函数。模拟结果显示，在注入碳原子或考虑氘再循环情况下，靶板附近的电子密度升高，电子温度降低，鞘层电势降降低，入射到靶板的热流降低，从而降低等离子体对靶板的侵蚀。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 聚变能简介

1．2 可控核聚变需要的条件

1．3 托卡马克装置介绍

1．4 托卡马克中等离子体与壁材料相互作用

1．5 本文研究内容

2 数值方法

2．1 引言

2．2 PIC方法

2．3 库仑碰撞及BC方法

2．4 MCC方法

2．5 DSMC方法

2．6 MPI并行算法及本文用到的模拟程序

3 偏滤器粗糙壁侵蚀模拟

3．1 引言

3．2 物理模型及基本结果

3．3 等离子体温度的影响

3．4 表面形貌的影响

3．5 磁场强度的影响

3．6 本章小结

4 偏滤器瓦片侵蚀模拟

4．1 物理模型

4．2 瓦片形状对热流密度分布的影响

4．3 磁场角度对热流密度分布的影响

4．4 杂质离子在缝隙附近的物理溅射

4．5 本章小结

5 一维刮削层物理模拟

5．1 引言

5．2 物理模型

5．3 鞘层限制模式下的等离子体输运

5．4 碳杂质注入对刮削层的影响

5．5 氘再循环对刮削层的影响

5．6 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介