《托卡馬克邊緣區惰性氣體雜質電荷轉移過程的理論研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由劉曉菊擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：托卡馬克邊緣區惰性氣體雜質電荷轉移過程的理論研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：劉曉菊
- 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
隨著托卡馬克高參數、長脈衝的運行，其第一壁材料的腐蝕問題日漸突出，邊界和偏濾器區的輻射冷卻至關重要。目前最有效的方法之一是注入中、高Z的惰性氣體（如：Ne、Ar、Kr等）雜質以增強邊界的輻射能力從而有效降低邊界的溫度。而目前國際上對於離子與中、高Z原子的電荷轉移過程的研究工作較少且多集中在中、高能區。對於tokamak邊界特徵溫度為0.1-500 eV的低能區，會涉及複雜的多中心電子關聯問題。本項目將緊密結合當前實際需求，選取與tokamak邊界和偏濾器輻射冷卻密切相關的惰性氣體體系，開展低能區的離子與中、高Z原子的碰撞過程的研究，包括單、雙電子轉移、轉移激發和直接激發及其發射譜。本項目的開展不僅能填補這方面數據的空缺，同時在深入認識離子-原子碰撞涉及的多體碰撞動力學和電子關聯效應基礎上有助於我們深入理解惰性氣體雜質對邊界電漿的影響（包括輻射冷卻、脫靶的形成、雜質分布、氦灰中性化等）。
結題摘要
在本項目的支持下，我們採用分子軌道耦合的方法（MOCC）計算了對於tokamak 邊界比較重要的惰性氣體雜質與主離子（如H+與Ar及Ar+與H等碰撞體系）的碰撞電荷轉移及激發過程。我們的研究發現計算結果發現，對於H+-Ar碰撞過程，當碰撞能量低於100eV時，電荷轉移截面迅速減小，此外，該碰撞體系的直接激發截面比電荷轉移截面小1-2個量級，即電荷轉移過程占主導。另外，Ar原子的電子主要以轉移到H原子基態為主，這主要是因為這個通道與HAr+分子基態相鄰，它們之間存在較強的相互作用。相比之下，其他態遠離初態，因此與初態之間的相互作用較小，故而電子轉移到H原子激發態的截面很小，基本可以忽略。由此可見，電荷交換過程將會為tokamk邊界提供一些基態的中性粒子。另外比較了H+與Ar及Ar+與H碰撞體系的電荷轉換和激發截面。而且我們發現對於該碰撞過程的實驗測量結果主要集中在1keV以上，對於碰撞能量低於1keV的情況下實驗數據非常缺乏。同時我們將大型邊界數值模擬程式SOLPS程式與實驗及另一個大型的三維邊界數值模擬程式EMC3-EIRENE的結果進行比較，驗證程式模擬的可靠性；另外我們還利用大型邊界數值模擬程式研究了不同惰性氣體雜質氣體（N，Ne和Ar）注入情況下邊界雜質輻射分布及邊緣電漿輻射冷卻進行了模擬和分析。模擬結果顯示，N和Ar雜質都是很好的偏濾器輻射劑，同時Ar還能明顯增強芯部的輻射。而Ne的輻射主要集中X點和最外層分界面附近。且隨著Ne和Ar的注入進入到刮削層（SOL）的功率會迅速降低，這對於加熱功率在低約束模式向高約束模式轉換（L-H轉換）能量閾值的附近的放電而言是不利的，會降低電漿約束性能。而N雜質則主要在偏濾器輻射功率，不會顯著降低進入SOL區的功率。最後我們還研究了EAST裝置上鎢偏濾器下的電漿的脫靶情況。
