论文部分内容阅读
在磁约束托卡马克实验装置中，面向等离子体壁材料(Plasma FacingMaterials，PFMs)要面对大量热流以及等离子体中的高能粒子的轰击，导致材料热和机械性能衰退，从而影响材料使用寿命。另外，氢同位素和杂质(C和Be)在PFMs上的共沉积会引起燃料滞留，影响托卡马克装置的安全运行。大量的燃料和杂质粒子容易聚集在设计成小瓦块结构的面对等离子体部件(PlasmaFacing Components，PFCs)之间的缝隙中，而沉积在此类部位的粒子很难用现有壁处理方法清除，给装置的安全运行带来隐患。因此，理解装置PFMs的刻蚀和沉积行为，对研究托卡马克的材料寿命，杂质产生，燃料滞留等问题意义重大。 本论文中通过EDDY程序模拟，系统研究了EAST不同阶段（2006年-2012年），在不同放电参数，以及不同偏滤器位形下，偏滤器靶板的刻蚀和沉积分布。 2009年度模拟结果和实验观测一致，内外靶板均是刻蚀区域为主，其中一炮下单零放电位形下的模拟结果显示，最大刻蚀率不到1nm/s;而整轮实验下来，放置在外靶板靠近私密区位置的标记瓦事后分析结果显示的平均刻蚀率仅为0.07nm/s，最大刻蚀率不到1nm/s; 2012年度结果显示，在下单零和上单零位形下，内靶板无论是上内还是下内基本都是以沉积为主，而外靶板在靶板打击点附近均是刻蚀，呈现和国际其他装置一样的趋势。在双零位形下，下内靶板为刻蚀区，而下外靶板部分区域为沉积区域。这也揭示了EAST装置不同于其他装置的靶板刻蚀和沉积行为分布，对未来EAST壁改造以及相关物理实验具有重要的参考意义。 发展了瓦块内部杂质沉积程序-3D蒙特卡罗方法PIC-EDDY，并和德国3D-GAPS程序进行了比对校验，两者吻合较好。已应用于EAST上偏滤器钨穿管结构和ITER偏滤器缝隙内部杂质沉积的模拟: 将该程序用于模拟EAST装置上的不同结构的钨样品。模拟发现杂质在环向缝隙和极向缝隙内部的沉积分布区别不大;在高电子温度下，沉积在缝隙底部的离子形式几乎不存在;另外发现一个有别于其他国际装置的现象，即杂质在极向缝隙的迎等离子体侧沉积的粒子量大于在其他位置的沉积; 模拟了三类杂质在ITER初始阶段碳偏滤器靶板的杂质沉积。模拟发现，当减小入射杂质的反射系数时，和C杂质不同，Be和W杂质主要沉积在缝隙入口和出口的位置，易于清理; 针对目前ITER的全钨偏滤器，比较了来自于背景等离子体的直接入射（侧壁）和缝隙顶部（顶部）沉积粒子的再刻蚀，对杂质在缝隙内部沉积的贡献。和预期不同，本论文发现在极向缝隙内，顶部贡献反而高于侧壁的贡献; ITER装置中杂质在环向缝隙内的沉积远远大于在极向缝隙内的沉积，而EAST装置环极向缝隙的杂质沉积量却差别不大，原因在于磁场强度引起的拉莫半径的不同，对于ITER，磁场强度较大，拉莫半径小，越容易沉积在缝隙内部; 基于模拟得到的杂质沉积总量粗略估测出偏滤器部位穿管结构所引起的额外的T滞留量为0.422-0.48mg/s。按照此滞留速率，如果ITER每个脉冲为400秒，那么约4000炮左右将会达到700g，超过装置安全运行的标准。 PFMs刻蚀和沉积问题直接关系到等离子体性能、壁的使用寿命以及氚滞留等关键问题。杂质输运程序EDDY和缝隙杂质沉积程序PIC-EDDY程序通过和其他模拟程序或者实验相结合，不仅可为EAST壁材料研究，而且可为ITER及未来装置的设计与运行提供科学基础与宝贵经验。