锂化偏滤器靶板附近锂与等离子体相互作用的动力学PIC模拟研究

作     者：Arvind Singh Jadon 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：Jizhong Sun

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 082701[工学-核能科学与工程] 0827[工学-核科学与技术] 

主      题：粒子云(PIC)模拟 锂偏滤器 边缘等离子体 入射粒子通量 入射能量通量 

摘      要：等离子体面壁材料(Plasma Facing Materials,PFM)可显著影响磁约束聚变装置的约束性能。在聚变装置放电过程中,高粒子流和能流会持续轰击等离子体面壁材料,侵蚀偏滤器靶板,进而产生各种杂质。这些杂质不断聚芯,最终将严重污染燃料等离子体、降低装置约束性能,甚至中止放电。因此,寻找一种能够承受高粒子流和能流轰击的、适合连续放电并且只产生较少杂质粒子的等离子体面壁材料,是一项必要的艰巨的任务。研究表明,锂(Li)涂覆材料和液态锂材料被用作第一壁或偏滤器等离子体面壁组件(Plasma Facing Components,PFC)时,能够表现出优良的性能,例如,调控边缘局域模(Edge Localized modes,ELMs),增加等离子体约束性能和降低溅射产率。偏滤器靶板上的锂涂层能够减少等离子体面壁材料表面产生的尘埃、降低能量再循环,从而降低芯部等离子体的温度梯度、增加能量约束时间。因此,针对锂与等离子体相互作用进行严格的边缘等离子体动力学定量和定性分析,是聚变等离子体研究的重要组成部分。本文采用1D3V粒子云网格(Particle-In-Cell,PIC)模型和蒙特卡罗碰撞(MCC)包VSim——模型包含带电粒子和中性粒子间的各种相互作用,研究了锂偏滤器靶板对边缘等离子体的影响。我们将等离子体源——氘等离子体定义在两个锂偏滤器靶板之间,使整个模拟区域表征刮削层(Scrape-off Layer,SOL)。模型中包含的物理化学过程包括氘离子轰击锂壁面产生锂杂质的反应,偏滤器靶板处的粒子再循环和二次电子发射(Second Electron Emitting,SEE)。本文研究表明,等离子体中带电粒子和中性粒子的输运将直接影响偏滤器区的等离子体特性。由于等离子体在与锂杂质、再循环产生的氘的中性原子和分子的各种碰撞中失去能量,锂偏滤器区域的等离子体温度以及入射到靶板上的粒子流和热流将显著降低。