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TEXTOR边界层中离子轰击粗糙限制器表面的模拟研究

作　者: 姚占富
导　师: 王德真
学　校: 大连理工大学
专　业: 等离子体物理
关键词: 离子输运沉积侵蚀表面演化
分类号: TL627
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

在磁约束核聚变领域,碳材料由于具有原子序数低和良好的热性能等特点而被广泛选作面向等离子体材料(PFMs)。另一方面,碳材料被侵蚀之后将会与氚共同沉积到器壁材料上形成复合沉积层。由于氚具有放射性,会给聚变堆的长期运行带来极大的安全问题。因此,研究碳材料在边界层中的输运,侵蚀,沉积等过程显得尤其重要。在TEXTOR装置上的实验发现在粗糙限制器表面的碳的沉积效率远大于相对光滑的表面,沉积图样的范围也明显宽阔。ERO程序对杂质在TEXTOR刮削层(SOL)中输运及杂质与光滑表面之间相互作用过程的模拟比较成功,然而目前还不能模拟粗糙表面的效应,本论文的研究目的在于为ERO程序提供粗糙表面效应的相应模块。本文利用ERO程序模拟了在不同参数下氘粒子和一定浓度的碳杂质在TEXTOR边界等离子体中的电离,碰撞,输运以及最终轰击光滑限制器表面的入射角度和能量的分布。其中具体的参数包括等离子体的温度,磁场的强度,杂质粒子的注入能量和方向,限制器的倾角(限制器表面与磁场之间的角度)和电子的密度。模拟结果显示,氘、碳被电离之后轰击光滑限制器表面的角度分布只与限制器的倾角有关,而轰击能量只决定于刮削层中等离子体的温度。所得到的入射角度和轰击能量的分布将作为粗糙表面程序模块的输入参量。基于离子轰击器壁材料产生的溅射额与反射系数依赖于入射角度的大小,开发了一个处理离子与粗糙表面之间相互作用的蒙特卡罗程序。该程序主要考虑了离子轰击到粗糙表面对不同位置所引起的溅射侵蚀和沉积作用,而被侵蚀的材料粒子和被反射的杂质粒子经过在粗糙表面的内部输运会再次轰击到材料上,从而引起二次侵蚀和沉积。综合以上因素,可以得出粗糙表面随离子注入时间的演化过程。限制器表面距最外层闭合的粒子流面(LCFS)距离较小时,碳杂质的浓度较低,导致粗糙限制器表面的演化呈现侵蚀效应占主导的模式；限制器表面距LCFS的距离较大时,粗糙限制器表面的演化呈现沉积效应占主导的模式。与光滑限制器表面相比,碳粒子可以二次沉积到粗糙表面的内部,使得这些粒子不易被侵蚀掉,同时导致粗糙表面受离子轰击的平滑效应。在经过离子足够长时间的轰击之后,粗糙表面将会演化成平滑的表面。这些结果对进一步理解聚变装置中碳材料的应用及如何解决复合沉积所引起的氚滞留问题具有很重要的研究意义。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-23
  1.1 聚变能源的研究意义  9
  1.2 聚变能源的研究现状  9-12
  1.3 聚变中面向等离子体材料  12-15
    1.3.1 等离子体与材料之间的相互作用  12-14
    1.3.2 面向等离子体材料的选取  14-15
  1.4 ERO程序介绍  15-22
    1.4.1 ERO程序的等离子体背景  15-19
    1.4.2 ERO程序中的杂质输运  19-21
    1.4.3 杂质粒子与壁材料的作用  21-22
  1.5 本文的主要内容  22-23
2 离子轰击光滑限制器表面的研究  23-29
  2.1 引言  23
  2.2 模型介绍  23-24
  2.3 离子轰击光滑限制器表面的角度和能量分布  24-27
    2.3.1 参数的选取  24-25
    2.3.2 限制器倾角为5度时的入射角度能量分布  25-26
    2.3.3 限制器倾角为10度时的入射角度能量分布  26-27
    2.3.4 限制器倾角为20度时的入射角度能量分布  27
  2.4 小结  27-29
3 粗糙表面随离子轰击时间的演化  29-52
  3.1 引言  29-30
  3.2 模型介绍  30-31
  3.3 模拟结果与讨论  31-51
    3.3.1 限制器倾角为5度时的表面演化  32-38
    3.3.2 限制器倾角为10度时的表面演化  38-45
    3.3.3 限制器倾角为20度时的表面演化  45-51
  3.4 小结  51-52
结论  52-53
参考文献  53-58
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  58-59
致谢  59-60

TEXTOR边界层中离子轰击粗糙限制器表面的模拟研究

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