偏滤器靶板等离子体鞘层和预鞘层特性的研究

The properties of edge plasma can directly affect its interaction with first wall material and the confinement fusion performance of bulk plasma in tokamak. Divertor is the main way to control the transport properties of edge plasma, which has been generally used in advanced tokamak, nowadays. Studying the features of plasma sheath, formed between the edge plasma and divertor target, can help us deeply understand its effects on the first wall and confinement fusion performance of bulk plasma. So there is all-important significance. In this project，firstly，the asymmetric velocity distribution function of edge plasma and boundary magnetohydrodynamics (BMHD) shold be established and researched. secondly, The BMHD will be solved by the numerical method . The means include studying the effects of magnetic field, neutral impurity atom, main plasma and conditions of the first wall surface etc. on sheath and pre-sheath. At last, particle in cell method are used to research the properties of the plasma sheath, and compare the results with numerical BMHD. The effects of the transport properties of edge plasma on the divertor plate and confinement fusion performance of bulk plasma could be clearly understood through the research of this project.

托克马克边界等离子体区的性质将直接影响主约束等离子体的聚变性能及与第一壁材料相互作用性质。而偏滤器是当今先进托克马克装置普遍采用的控制边界区等离子体输运特性的主要形式。所以研究偏滤器靶板与等离子体交界的等离子体鞘层的特性对于了解边界等离子体的输运特性及与靶板的相互作用具有重要的意义。 本项目首先研究吸收壁边界区等离子体非对称速度分布函数的形式，建立边界区的磁流体方程；然后数值模拟所建立的边界磁流体方程，研究偏滤器靶板表面等离子体鞘层和预鞘层特性，包括研究磁场，中性杂质原子，主等离子体区、壁面条件等对鞘层和预鞘层性质的影响；最后采用粒子模拟的方法研究偏滤器靶板鞘层的性质，对流体数值模拟结果进行比较和补充。 通过本项目的研究，为进一步准确探索边界等离子体的输运特性及对壁面和对芯部等离子体的影响机理提供条件。

托卡马克（Tokamak）边界等离子体区的性质将直接影响主约束等离子体的聚变性能及与第一壁材料相互作用性质。而偏滤器是当今先进Tokamak装置普遍采用的控制边界区等离子体输运特性的主要形式。研究偏滤器靶板与等离子体交界的等离子体鞘层的特性对于了解边界等离子体的输运特性及与靶板的相互作用具有重要的意义。. 本项目依照计划，首先完成考虑等离子体边界处的非对称效应边界等离子体的方程的建立，修正了原本的磁流体方程。数值结果与通常采用的流体模型的结果比较，确定通常采用的流体模型的近似程度；以国内外现有的Tokamak装置参数为依据，建立了较准确的偏滤器靶板鞘层的流体模型，在不同磁场分布和不同等离子体密度、温度、粒子流、能流以及中性杂质原子的原子分子过程；以及分析了不同壁面条件下，数值模拟鞘层等离子体的输运特性，弄清了鞘层和与鞘层中等离子体的输运机制和等离子体对壁面的粒子通量和能量通量；并且采用粒子模拟方法研究Tokamak边界等离子体鞘层和预鞘层的特性，建立偏滤器靶板表面等离子体鞘层粒子模拟程序。在本项目资助下还开展了对锂在Tokamak装置中应用的模拟研究。通过边界等离子体模拟程序SOLPS，模拟了Tokamak锂化第一壁边界等离子体特性并对比了非锂化的模拟结果；模拟上偏滤器及其他位置各注入量的锂粉对刮削层等离子体输运特性的影响；模拟给出杂质锂弹丸在中平面入射的边界等离子体含时衍化的特性及杂质的输运并且与实验结果进行了对比。. 本项目培养了众多的优秀人才。依托本课题共毕业博士生4名，其中1人于美国普林斯顿大学完成博士后研究工作之后留在本课题组作为讲师继续从事课题研究，目前已晋升副教授职称；其余3人分别在哈尔滨工业大学、大连海事大学、沈阳航空航天大学从事教学和科研工作。毕业硕士生3名，分别从事教学和科研工作及在企业和事业单位工作。