托卡馬克裝置中納米灰塵與面向等離子體材料相互作用的模擬與分析.pdf

1、灰塵問題是困擾核聚變實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的主要難點(diǎn)之一?；覊m不但是雜質(zhì)的來源之一，使等離子體控制變得困難，更會(huì)與面向等離子體材料發(fā)生相互作用，造成材料表面的改性甚至造成損傷，形成濺射原子。本文較為系統(tǒng)的研究了灰塵與面向等離子體材料相互作用過程。本文首先分析了在等離子體鞘層中灰塵所受電場(chǎng)力，并與其他受力，如摩擦力、重力等力進(jìn)行比較，得出灰塵顆粒在等離子體鞘層中的運(yùn)動(dòng)方程，為灰塵與材料相互作用提供灰塵的初始入射速度。其次本文應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)灰塵

2、與面向等離子體材料的相互作用過程進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果表明，灰塵的入射速度、數(shù)目、以及尺寸都與作用結(jié)果相關(guān)。最后本文根據(jù)碰撞理論對(duì)灰塵與面向等離子體材料相互作用進(jìn)行了理論分析，提出了能夠預(yù)測(cè)灰塵與材料相互作用結(jié)果的分析預(yù)測(cè)模型。
　　在對(duì)處于等離子體鞘層中的灰塵顆粒進(jìn)行分析的工作中，本文使用雙球坐標(biāo)系以及雙極坐標(biāo)系，分別對(duì)灰塵未接觸面向等離子體材料表面以及接觸材料表面兩種情況進(jìn)行了解析計(jì)算，得出了有灰塵存在下等離子體鞘層的電場(chǎng)分布，

3、并求得了灰塵表面電荷密度分布以及灰塵電勢(shì)與灰塵電荷的關(guān)系?；谶@些結(jié)果，本文得出了灰塵在等離子體鞘層中的所受電場(chǎng)力，并與灰塵可能受到的其他力進(jìn)行了比較，求出了灰塵在鞘層中的受力方程，進(jìn)而得出灰塵入射到材料表面時(shí)的速度，為灰塵與面向等離子體材料相互作用的模擬提供了基礎(chǔ)。
　　本文討論了諸多可能影響灰塵與面向等離子體材料的因素，如灰塵入射速度/能量、灰塵尺寸、數(shù)目、角度以及材質(zhì)。由于ITER將使用鈹和鎢作為第一壁和偏濾器材料，本文討論

4、了鈹、鎢灰塵與鈹、鎢面向等離子體材料的相互作用。結(jié)果表明，根據(jù)入射能量的不同，灰塵對(duì)模型等離子體材料的影響有三種，入射能量較低的灰塵顆粒會(huì)粘附在材料表面且不發(fā)生變形，多個(gè)灰塵入射的情況下會(huì)形成疏松的薄膜，入射速度較高的灰塵顆?？赡苄纬芍旅艿谋∧さ静粫?huì)對(duì)材料表面造成損傷。當(dāng)超高速的灰塵顆粒入射到材料表面時(shí)，會(huì)對(duì)材料造成損傷，損傷程度與入射灰塵顆粒的速度與尺寸有關(guān)。同時(shí)，不同材質(zhì)的灰塵和材料表面的作用結(jié)果是不同的，較輕的灰塵顆粒，如鈹灰

5、塵，難以對(duì)材料造成損傷，而較重的鎢灰塵則易于對(duì)材料造成損傷。由于灰塵與面向等離子體材料相互作用的研究方法與原子團(tuán)簇與固體材料相互作用的方法是相同的，因此本文在討論了托卡馬克灰塵問題的基礎(chǔ)上，在一定程度上擴(kuò)展了本論文研究的范圍，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步討論了團(tuán)簇在固體表面造成的濺射和彈坑的情況。
　　基于守恒律和碰撞理論，本文進(jìn)一步提出了灰塵與面向等離子體材料相互作用的分析預(yù)測(cè)模型。通過與分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果以及其他文獻(xiàn)中的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較