《聚變裝置灰塵與面向電漿材料的相互作用研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由羅廣南擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：聚變裝置灰塵與面向電漿材料的相互作用研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：羅廣南
- 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
聚變裝置中的灰塵顆粒除了影響電漿穩定運行和帶來放射性安全問題以外，當打擊到面向電漿材料(PFM)表面上時將有可能引起嚴重的表面集體損傷或可能在表面堆積成膜，影響到材料或器件的壽命。本項目針對其中的關鍵科學問題，灰塵顆粒與PFM相互作用的物理機制以及該作用下材料結構與性能的變化規律，依託於EAST和HT-7兩個國家大科學裝置，從實驗與計算模擬兩方面展開研究，實驗方面又包括了聚變裝置實驗和實驗室台面模擬實驗。通過裝置上的直接實驗，獲得灰塵相關信息，觀測分析PFM實際發生的現象和過程。台面模擬實驗則是利用電漿噴槍將選定灰塵顆粒加速，打擊相應的PFM樣品，實驗模擬裝置中發生的實際過程。而在計算模擬方面，採用分子動力學和有限元方法模擬灰塵顆粒撞擊PFM的過程。通過全面而深入的研究，了解灰塵顆粒與PFM 發生作用的行為，為闡明PFM(包括第一鏡)表面的演化和預測他們的壽命提供更可靠的依據。
結題摘要
灰塵問題是目前聚變科學以及工程研究中的一個重要問題，聚變裝置中的灰塵不但會導致電漿控制上的困難，縮短面向電漿材料的使用壽命，更有可能成為裝置安全的隱患。因此，美國、歐盟、日本和我國的各大聚變研究機構紛紛將灰塵問題列入研究計畫。本項目針對其中的關鍵科學問題，灰塵顆粒與PFM（plasma-facing materials）相互作用的物理機制以及該作用下材料結構與性能的變化規律，依託於EAST和HT-7兩個國家大科學裝置，從實驗與計算模擬兩方面展開研究。在計算模擬方面，採用分子動力學模擬灰塵顆粒撞擊PFM的過程。通過全面而深入的研究，了解灰塵顆粒與PFM 發生作用的行為。本課題研究了速度介於300 m/s 到 30 km/s 的灰塵顆粒與第一壁材料的相互作用，同時考慮了不同入射角度的灰塵顆粒對第一壁的影響。由於第一壁材料長時間暴露於電漿環境中，大量的灰塵顆粒可能在第一壁表面堆積成膜，因此本課題亦研究了灰塵速度對成膜的影響。另外，由於灰塵的速度、尺寸和入射角度是影響灰塵-第一壁相互作用的決定行參數，而這些參數與灰塵所處的電漿環境密切相關，因此本課題也對灰塵與電漿的相互作用進行了初步的研究。結果表明，速度較低的灰塵不會對第一壁表面造成明顯損傷，但高速度的灰塵可以。入射角度對灰塵與第一壁的作用也有影響。灰塵在第一壁表面形成薄膜的緻密度與灰塵的入射速度有關。灰塵在電漿中的存在於電漿溫度關係密切。實驗方面利用電漿噴槍將選定灰塵顆粒加速，打擊相應的PFM樣品，實驗模擬裝置中發生的實際過程。本實驗同樣考慮了不同入射角度，即正入射和斜入射情況，和不同輻照次數對第一壁材料的影響。結果表明，灰塵顆粒對第一壁表面的影響隨著灰塵速度的增大而增大。當灰塵的尺寸較大時，對第一壁的影響亦增大。同時輻照次數也對第一壁表面的損傷起到明顯的影響。台面輻照實驗結果與分子動力學的模擬結果基本一致。
