聚變裝置中灰塵的MD模擬與試驗研究課件

1、聚變裝置中灰塵的MD模擬與實驗研究報告人：牛國鑒指導(dǎo)老師：羅廣南 研究員聚變裝置中的灰塵聚變裝置中通常含有大量的灰塵顆粒。這些灰塵顆粒尺寸大概在亞微米量級。灰塵的成因非常復(fù)雜，涉及到多種等離子過程，同時灰塵顆粒對聚變反應(yīng)有非常大的影響。灰塵問題已經(jīng)成為聚變領(lǐng)域的一個熱點問題。SEM photographs of dust in NAGDIS-II. From N. Ohno et al Journal of Nuclear Materials 337339 (2005) 3539聚變裝置中灰塵的來源灰塵可能的成因有：1. 氣泡和沉積層的剝落；2. 表面缺陷的崩出與脆性破裂；3. 過飽和蒸氣的凝

2、集；4. 壓強導(dǎo)致的壁材料液滴的噴射；5. 各種不穩(wěn)定性，等等。右圖為各種灰塵的形態(tài)。From J.P.Sharpe et al Fusion Engineering and Design 63/64 (2002) 153/163聚變裝置中灰塵的來源Evidences of dust-forming processes in DIII-D: exfoliating redeposited layers (a), erosion of leading edges (b), arc traces (c), thermal stress induced cracks (d). From D.L. R

3、udakov et al. Nucl. Fusion 49 (2009) 085022不同聚變裝置中的灰塵情況裝置平均尺寸(um)表面質(zhì)量密度(/)總量(g)灰塵組成真空室內(nèi)表面 材料DIII-D0.46-1.08.4-23.590-120主要是碳碳AlcatorC-Mod0.78-2.8966.5/87/5470(上/中/下)主要是鉬鉬TFTR0.76-3.028.3/55.7/1300主要是碳碳、不銹鋼NSTX3.2733.40.5碳,少量硼碳JT60-U3.0837.47.5碳,少量硅碳、碳纖維TORE-SUPRA2.72000( 底部)15(其余)31碳碳、碳纖維、不銹鋼ASDEX-U

4、pgrade3.3355-28碳及鐵鉻錳不銹鋼、碳LHD(仿星器)9.6440.516.2碳及鐵鉻錳不銹鋼、碳ITER幾十千克到幾百千克鈹，碳，鎢據(jù)2006年Mitsubishi Report，ITER將有可能每年產(chǎn)生750kgBe，150kgC灰塵。Be 100kgC 200kgW 100kg（TECHNICALBASIS）1. 灰塵導(dǎo)致安全隱患灰塵會導(dǎo)致兩方面的安全隱患。首先是可能導(dǎo)致輻射污染。放射性氫同位素氚和PFM元素嬗變產(chǎn)生的放射性同位素灰塵如果暴露在大氣中，有可能對周邊地區(qū)產(chǎn)生放射性污染。另一方面，灰塵顆粒，尤其是化學(xué)性質(zhì)活潑的灰塵（如鋰，鈹?shù)龋┛梢院退l(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，如果出現(xiàn)

5、漏水事故，有裝置爆炸的危險。聚變裝置中灰塵的危害2. 灰塵對器壁造成影響灰塵顆粒撞擊到第一壁和偏濾器上，會對器壁造成很大的影響。速度較高（100 m/s）的灰塵顆粒打擊到PFM上時將有可能引起嚴(yán)重的表面集體損傷，留下類似隕石坑般的痕跡；而速度較低的顆粒則有可能在表面堆積成膜，改變壁材料的熱傳導(dǎo)率及其他性質(zhì)。聚變裝置中灰塵的危害3. 大量的灰塵導(dǎo)致等離子體控制上的困難灰塵對等離子體控制上的困難體現(xiàn)在如下幾個方面：(a)灰塵會對芯部的等離子體造成污染； (b)灰塵導(dǎo)致等離子體的不穩(wěn)定性，甚至放電的終止；(c)灰塵顆粒增大等離子體的電阻率；等等。聚變裝置中灰塵的危害灰塵問題的研究現(xiàn)狀目前，已在模擬和

6、實驗方面對灰塵的特性及其與等離子體相互作用進(jìn)行了研究。模擬方面：采用的理論主要是磁流體理論和動力學(xué)理論（如DUSTT程序）;實驗方面：觀察灰塵的主要方法是快速相機(jī)拍攝的方法，和在器壁上采集灰塵樣本的方法等?；覊m問題的研究現(xiàn)狀Temporal variation of temperature a, mass b, and velocity c of dust particles made of different materials in the DIII-D tokamak. From Y.Tanaka, et al. PHYSICS OF PLASMAS 14, 052504(2007)灰塵

7、問題的研究現(xiàn)狀Fast camera images of dust released by upward-going (a), (b) and downward-going (c), (d) VDE disruptions. From D.L. Rudakov et al. Nucl. Fusion 49 (2009) 085022已有的科研基礎(chǔ)N=1018, Rd=25nm, T=10eV已有的科研基礎(chǔ)N=1018, Rd=25nm, T=50eV已有的科研基礎(chǔ)V=100m/s, 1000m/s研究對象和方法對灰塵進(jìn)行模擬和實驗兩方面的研究。模擬方面，擬使用分子動力學(xué)方法對不同材質(zhì)、尺寸、形

8、狀、速度以及帶電量的灰塵顆粒進(jìn)行模擬；同時研究灰塵雜質(zhì)在壁材料中擴(kuò)散現(xiàn)象，包括其運動形式、存在形態(tài)和結(jié)合位置。第三，模擬碰撞碎片的產(chǎn)生和擴(kuò)散以及二次灰塵的產(chǎn)生。實驗方面，擬使用氣凝膠收集聚變裝置中的灰塵顆粒，從而得到灰塵顆粒的速度、尺寸等方面的信息。主要創(chuàng)新點模擬方面：采用MHD和動力學(xué)方法可以較宏觀的了解灰塵的特性，而采用分子動力學(xué)方法則可以從微觀角度細(xì)致的觀察灰塵的變化和影響（時間為飛秒尺度，空間為納米尺度），考察分子、原子的變化，這與MHD和動力學(xué)方法有互補的效果；實驗方面：采用氣凝膠可以方便的分析灰塵的尺寸、速度信息。基于自然科學(xué)基金聚變裝置灰塵與面向等離子體材料的相互作用研究氣凝膠收集的宇宙灰塵顆粒。預(yù)期成果建立灰塵顆粒與壁相互作用，灰塵與等離子體相互作用的物理圖像揭示各種灰塵撞擊給壁材料的結(jié)構(gòu)與性能帶來的影響為預(yù)測PFM性能和壽命、控制灰塵總量提供一定參考時間節(jié)點2011年