聚变装置中灰尘的MD模拟与试验研究课件

1、聚变装置中灰尘的MD模拟与实验研究报告人：牛国鉴指导老师：罗广南 研究员聚变装置中的灰尘聚变装置中通常含有大量的灰尘颗粒。这些灰尘颗粒尺寸大概在亚微米量级。灰尘的成因非常复杂，涉及到多种等离子过程，同时灰尘颗粒对聚变反应有非常大的影响。灰尘问题已经成为聚变领域的一个热点问题。SEM photographs of dust in NAGDIS-II. From N. Ohno et al Journal of Nuclear Materials 337339 (2005) 3539聚变装置中灰尘的来源灰尘可能的成因有：1. 气泡和沉积层的剥落；2. 表面缺陷的崩出与脆性破裂；3. 过饱和蒸气的凝

2、集；4. 压强导致的壁材料液滴的喷射；5. 各种不稳定性，等等。右图为各种灰尘的形态。From J.P.Sharpe et al Fusion Engineering and Design 63/64 (2002) 153/163聚变装置中灰尘的来源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不同聚变装置中的灰尘情况装置平均尺寸(um)表面质量密度(/)总量(g)灰尘组成真空室内表面 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)主要是钼钼TFTR0.76-3.028.3/55.7/1300主要是碳碳、不锈钢NSTX3.2733.40.5碳,少量硼碳JT60-U3.0837.47.5碳,少量硅碳、碳纤维TORE-SUPRA2.72000( 底部)15(其余)31碳碳、碳纤维、不锈钢ASDEX-U

4、pgrade3.3355-28碳及铁铬锰不锈钢、碳LHD(仿星器)9.6440.516.2碳及铁铬锰不锈钢、碳ITER几十千克到几百千克铍，碳，钨据2006年Mitsubishi Report，ITER将有可能每年产生750kgBe，150kgC灰尘。Be 100kgC 200kgW 100kg（TECHNICALBASIS）1. 灰尘导致安全隐患灰尘会导致两方面的安全隐患。首先是可能导致辐射污染。放射性氢同位素氚和PFM元素嬗变产生的放射性同位素灰尘如果暴露在大气中，有可能对周边地区产生放射性污染。另一方面，灰尘颗粒，尤其是化学性质活泼的灰尘（如锂，铍等）可以和水发生剧烈的化学反应，如果出现

5、漏水事故，有装置爆炸的危险。聚变装置中灰尘的危害2. 灰尘对器壁造成影响灰尘颗粒撞击到第一壁和偏滤器上，会对器壁造成很大的影响。速度较高（100 m/s）的灰尘颗粒打击到PFM上时将有可能引起严重的表面集体损伤，留下类似陨石坑般的痕迹；而速度较低的颗粒则有可能在表面堆积成膜，改变壁材料的热传导率及其他性质。聚变装置中灰尘的危害3. 大量的灰尘导致等离子体控制上的困难灰尘对等离子体控制上的困难体现在如下几个方面：(a)灰尘会对芯部的等离子体造成污染； (b)灰尘导致等离子体的不稳定性，甚至放电的终止；(c)灰尘颗粒增大等离子体的电阻率；等等。聚变装置中灰尘的危害灰尘问题的研究现状目前，已在模拟和

6、实验方面对灰尘的特性及其与等离子体相互作用进行了研究。模拟方面：采用的理论主要是磁流体理论和动力学理论（如DUSTT程序）;实验方面：观察灰尘的主要方法是快速相机拍摄的方法，和在器壁上采集灰尘样本的方法等。灰尘问题的研究现状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)灰尘

7、问题的研究现状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已有的科研基础N=1018, Rd=25nm, T=10eV已有的科研基础N=1018, Rd=25nm, T=50eV已有的科研基础V=100m/s, 1000m/s研究对象和方法对灰尘进行模拟和实验两方面的研究。模拟方面，拟使用分子动力学方法对不同材质、尺寸、形

8、状、速度以及带电量的灰尘颗粒进行模拟；同时研究灰尘杂质在壁材料中扩散现象，包括其运动形式、存在形态和结合位置。第三，模拟碰撞碎片的产生和扩散以及二次灰尘的产生。实验方面，拟使用气凝胶收集聚变装置中的灰尘颗粒，从而得到灰尘颗粒的速度、尺寸等方面的信息。主要创新点模拟方面：采用MHD和动力学方法可以较宏观的了解灰尘的特性，而采用分子动力学方法则可以从微观角度细致的观察灰尘的变化和影响（时间为飞秒尺度，空间为纳米尺度），考察分子、原子的变化，这与MHD和动力学方法有互补的效果；实验方面：采用气凝胶可以方便的分析灰尘的尺寸、速度信息。基于自然科学基金聚变装置灰尘与面向等离子体材料的相互作用研究气凝胶收集的宇宙灰尘颗粒。预期成果建立灰尘颗粒与壁相互作用，灰尘与等离子体相互作用的物理图像揭示各种灰尘撞击给壁材料的结构与性能带来的影响为预测PFM性能和寿命、控制灰尘总量提供一定参考时间节点2011年