超导偏滤器托卡马克中壁材料的腐蚀与沉积模拟研究

在磁约束核聚变研究中，壁材料腐蚀与沉积问题直接关系到等离子体性能、壁的使用寿命以及氚滞留等关键问题，其模拟研究对于正拟建造的全超导偏滤器托卡马克ITER的相关预测有着极其重要的意义。由于EAST偏滤器结构与ITER装置的相似性，本申请拟将三维大型蒙特卡罗程序ERO应用于EAST活动限制器与偏滤器靶板材料的腐蚀与沉积研究上，通过与实验结果的比较，力图阐明偏滤器位形下托卡马克中壁材料的腐蚀与再沉积机理，并在此基础上对ITER装置中壁材料的腐蚀与沉积情况进行模拟预测。重点研究等离子体启动时壁材料的腐蚀情况以及稳态运行时偏滤器靶板材料的腐蚀与沉积问题，比较ITER两种启动方式的优劣，并给出ITER壁材料的使用寿命和氚滞留情况的预测结果。本项研究不仅可为国家大科学工程项目EAST壁材料研究，而且可为ITER及未来装置的设计与运行提供科学基础与积累经验。

面向等离子体材料的腐蚀与再沉积问题是核聚变研究的关键问题之一，直接影响到壁材料的使用寿命、等离子体的品质以及氚的滞留问题。本项目将三维大型蒙特卡罗程序ERO 应用于超导偏滤器托卡马克EAST装置上，通过与实验结果的比较对程序进行验证，并对ITER进行预测，可以为ITER 以及将来的聚变堆的设计与运行提供科学基础。主要研究内容包括:1)考虑EAST的活动限制器和偏滤器两种几何位形，建立ERO-EAST模拟程序； 2) 完成了EAST活动限制器的腐蚀与沉积实验，并利用ERO程序进行模拟；3) 模拟预测了用于ITER启动的铍限制器在电流爬升段的腐蚀与沉积情况；4) 对ITER主真空室壁的腐蚀情况进行模拟，并开展了类似形貌的瓦块在EAST上的辐照实验和相关模拟工作；5) 将二维等离子体流体程序SOLPS与ERO程序结合开展了对EAST偏滤器材料的腐蚀与沉积的模拟工作；6) 完成了液态锂限制器的腐蚀以及锂在边界等离子体中的输运的模拟工作。在该青年基金的支持下，不仅完成了一系列的模拟工作，还设计并开展了相关验证模拟结果的实验。在对EAST活动限制器和类ITER第一壁形貌瓦块的实验模拟的基础上，对ITER的启动限制器和主真空室壁的腐蚀与沉积情况进行了预测，并评估了其使用寿命，发现ITER中铍的腐蚀问题并不是很严重，因此可以直接用主真空室壁启动等离子体，模拟得到的结果可以作为ITER设计的重要参考。对液态锂限制器的模拟研究使我们掌握了锂的腐蚀机理及其在边界等离子体中的输运特性。在模拟研究的同时，对ERO程序进行了改进和升级，将边界磁场位形的变化和等离子体阴影区的描述引入，优化程序使其可以用于对较大的第一壁部件的模拟，在物理上也添加了如计算中性粒子碰撞的程序，并首次在程序中加入了计算锂的腐蚀和输运程序。项目基本按原计划完成，也达到了预期的研究目标。