邊界局域模熱負(fù)荷對(duì)鎢偏濾器靶板侵蝕的模擬研究.pdf

1、等離子體面壁材料的選擇是聚變裝置托卡馬克的關(guān)鍵問(wèn)題，但到目前為止，還沒(méi)有真正合適的材料。鎢材料因?yàn)榫哂袩釋?dǎo)率高、熔點(diǎn)高、濺射率低、氚滯留率低等優(yōu)點(diǎn)，成為首選的面壁材料。但是鎢材料在高瞬時(shí)熱流的作用下會(huì)熔化、汽化，熔化層在各種力（如表面張力、磁場(chǎng)力、壓強(qiáng)梯度力等）作用下的流動(dòng)，導(dǎo)致材料形貌變化，影響材料的傳熱能力，誘發(fā)電弧，甚至液體鎢會(huì)以液滴的形式飛濺出去。這些作用不但縮短器壁的壽命，而且產(chǎn)生的鎢雜質(zhì)（原子、塵埃顆粒、液滴）將嚴(yán)重威脅等離

2、子體運(yùn)行。因此對(duì)瞬時(shí)熱流作用下鎢材料侵蝕的研究至關(guān)重要。
　　本論文利用數(shù)值方法模擬研究了邊界局域模(edge localized modes，ELMs)熱負(fù)荷對(duì)鎢偏濾器靶板的侵蝕。在未來(lái)聚變裝置例如國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER)中強(qiáng)ELMs作用下，鎢偏濾器靶板會(huì)熔化，甚至汽化。在熔化和汽化過(guò)程中，相變界面隨時(shí)間不斷變化，熔化層流動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致液體表面的位置隨時(shí)間不斷變化。本論文根據(jù)研究問(wèn)題的需要，對(duì)所建立的模型采用有限體積法追蹤

3、界面的位置，較理想地計(jì)算了鎢壁各個(gè)時(shí)刻的熔化速度及界面位置。論文在第一章緒論中介紹了工作的研究背景，第五章結(jié)論展望部分闡述了本工作的主要結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn)，其它各章研究?jī)?nèi)容分別為:
　　第二章，為研究ELMs熱流對(duì)鎢偏濾器靶板的侵蝕，把偏濾器靶板簡(jiǎn)化為一個(gè)平板，建立了一維對(duì)流傳熱模型，考慮了熔化、汽化和熱輻射效應(yīng)。利用自主開(kāi)發(fā)的一維移動(dòng)邊界對(duì)流傳熱程序，首先，針對(duì)EAST，采用實(shí)驗(yàn)中取得的ELMs能流密度，計(jì)算了鎢靶板的表面溫度分布。計(jì)

4、算結(jié)果顯示當(dāng)前第一類(lèi)ELMs作用在鎢靶板上，在高約束模式運(yùn)行時(shí)間取32 s情況下，靶板表面溫度從350 K增加到373 K，表明在當(dāng)前的參數(shù)范圍內(nèi)，只要避免其它更嚴(yán)重的瞬時(shí)事件如破裂的發(fā)生，ELMs本身不會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的威脅。然后，將ELMs的能量增加到接近未來(lái)ITER的能量范圍，計(jì)算了ELMs能流密度峰值、間隙間能流密度、頻率取不同值時(shí)，鎢偏濾器靶板的溫度分布和熔化厚度。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同幅值的ELMs，當(dāng)其它參數(shù)相同時(shí)，偏濾器靶板的表面

5、溫度（熔化厚度）與ELMs的能流密度峰值、間隙間能流密度以及頻率成正比。
　　第三章，建立了二維對(duì)流傳熱的自洽模型，研究鎢偏濾器靶板瓦片在類(lèi)似ITER運(yùn)行參數(shù)下ELMs過(guò)程中的侵蝕問(wèn)題。針對(duì)不同形狀的鎢偏濾器靶板瓦片，考慮瓦片縫隙對(duì)等離子體行為、能流密度的影響，將利用二維邊緣等離子體動(dòng)力學(xué)程序(2d3v PIC-MCC)計(jì)算得到的不同形狀瓦片表面的能流密度分布，作為自主開(kāi)發(fā)的二維移動(dòng)邊界對(duì)流傳熱程序的輸入?yún)?shù)，計(jì)算了ITER中三種

6、不同形狀瓦片（直角瓦片、斜邊瓦片、圓角瓦片）在發(fā)生ELMs過(guò)程中的侵蝕程度。研究結(jié)果表明，每一種形狀瓦片都是在面向入射等離子體一側(cè)棱邊區(qū)域的表面溫度最高，熔化厚度最大，汽化厚度最大;在相同的ELMs能流作用下，圓角瓦片的侵蝕程度最小，而且表面曲率半徑越大，侵蝕程度越小。論文中分析了這些結(jié)果的原因。
　　第四章，通過(guò)將二維熱傳導(dǎo)方程與流體力學(xué)的納維斯托克斯方程結(jié)合，建立了二維流體動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)一步研究在ELMs強(qiáng)熱流轟擊下，鎢熔化層

7、在表面張力、壓強(qiáng)梯度力、磁場(chǎng)力等力的作用下流動(dòng)時(shí)，偏濾器靶板的侵蝕和形貌變化。在模型的數(shù)值求解中，采用交錯(cuò)網(wǎng)格的方法進(jìn)行離散，成功解決了液體表面追蹤的算法難點(diǎn)，保證了鎢偏濾器靶板侵蝕程度計(jì)算的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明，在ELMs過(guò)程中，鎢熔化層在表面張力、壓強(qiáng)梯度力、磁場(chǎng)力等各種力的作用下，會(huì)在熔化層兩側(cè)的邊緣區(qū)域形成類(lèi)似山峰結(jié)構(gòu)的凸起，加重鎢偏濾器靶板的侵蝕程度。如果不考慮磁場(chǎng)力的作用，在空間分布為高斯形狀能流的作用下熔化層兩側(cè)的山峰結(jié)構(gòu)