偏滤器鞘层中杂质对钨靶板侵蚀影响的粒子模拟研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dfw002
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托卡马克是当前最有可能实现可控核聚变的实验装置之一。偏滤器主要用来排除聚变反应产生的能量和氦灰。大量的粒子和能量沉积到偏滤器靶板,使得偏滤器成为等离子体与器壁相互作用的主要区域。钨是偏滤器靶板主要候选材料,但是钨杂质具有高原子序数,与芯部等离子体不兼容,进入芯部的钨杂质过多可能会引起装置熄火。瞬时事件如边缘局域模(ELMs,edge-localized modes)会加剧等离子体与器壁相互作用。因此有必要研究钨靶板的侵蚀以及侵蚀出的杂质的输运过程。靶板的侵蚀与偏滤器附近尤其是鞘层区域的等离子体参数密切相关,粒子模拟可以自洽地模拟鞘层从而成为研究这一问题的有力工具。本文开发了一维的粒子模拟程序,对钨偏滤器靶板的侵蚀进行了研究,同时开发了三维蒙特卡罗程序,来研究钨杂质在偏滤器靶板附近的输运及再沉积。论文的具体研究内容和研究结果如下:采用一维粒子模拟程序研究了偏滤器等离子体中杂质离子(C3+和Be2+)对于钨靶的溅射侵蚀,研究了等离子体温度对于入射到靶板上的杂质粒子流和能流、入射离子的能量分布和角度分布以及钨靶板侵蚀速率的影响,比较了氢离子和杂质离子对于钨靶板侵蚀的贡献大小。结果显示,离子的入射角几乎不受等离子体温度变化的影响;氢离子(H+)对于钨靶板的侵蚀作用很小,杂质离子对钨靶板的侵蚀起主要作用;钨靶板的侵蚀速率随着温度升高和杂质粒子含量增多而增大。采用一维粒子模拟程序模拟了ELMs期间钨偏滤器靶板的侵蚀,并采用三维蒙特卡罗程序模拟了侵蚀出的钨杂质在偏滤器附近的输运及再沉积。模拟给出了ELMs期间沉积到偏滤器靶板的能流以及钨偏滤器靶板的侵蚀速率随时间的演化,并给出了钨杂质的再沉积比例、价态分布和空间分布,分析了影响钨杂质再沉积的因素。模拟结果显示,鞘层内电离的钨杂质比鞘层外电离的钨杂质的再沉积率要高;绝大部分钨原子电离成为钨离子并在电场和磁场的共同作用下发生再沉积;空间分布的钨杂质主要集中在偏滤器靶板附近的区域;超出模拟区域的钨杂质所占比例很低。
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