托卡马克边界等离子体及氢同位素在器壁中滞留模拟研究

Fusion power is a promising candidate to supply the energy needs of humanity, and Tokamak is the most important fusion devices. In the Tokamak research, edge plasma is one of the most important issues, which is directly related to plasma surface interactions (PSI), and will affect wall lifetime, hydrogen isotope inventory, plasma contamination and plasma operation. Therefore, it is important to study the characteristics of edge plasma in the fusion device. During PSI processes, hydrogen isotope inventory is one of the most important issue, which affect the safety operation and economic of the Tokamak. In this project, the SOLPS code will be applied to simulate EAST and HL-2M devices. The simulation can provide us the detailed plasma backgroud of each fusion device, and also explain the experimental results. We will develop and update the dynamic particle code of edge plasma EPPIC which code can simulate the plasma characteristics in small scale near the wall and in the gap region of the divertor tile. At same time, we will simulate the physical mechanism of the divertor detachment with EPPIC code. To simulate the hydrogen inventory in the PFCs (plasma facing components), we have developed the code HIIPC (Hydrogen Isotope Inventory Processes Code). The codes SOLPS, EPPIC and HIIPC will be coupled to simulate the edge plasma and hydrogen isotope retention in the divertor tile and in the gap region of the divertor tile in the EAST and HL-2M fusion device.

托卡马克是最有希望实现的可控核聚变装置，边界等离子及其与器壁相互作用是托卡马克研究的一个重要领域，直接影响器壁的寿命及装置的安全运行。本工作主要对聚变装置边界等离子体及氢同位素在器壁中的滞留进行模拟研究。将针对国内等离子所的EAST和西南物理研究院HL-2M装置，使用SOLPS模拟两个聚变装置的边界等离子特性，从而提供装置的等离子体背景参数；模拟所得到的等离子背景作为我们开发的边界等离子体粒子模拟程序EPPIC的输入参数，对器壁表面附近小尺度等离子体和鞘层区域进行深入模拟研究，并同时对脱靶等离子产生机理进行研究；器壁表面等离子模拟的参数可以作为自主开发的氢同位素滞留模型和程序HIIPC的输入参数，对滞留在偏滤器靶板缝隙和靶板内部的氢同位素总量进行耦合模拟。通过将SOLPS，EPPIC，HIIPC程序的耦合，对EAST和HL-2M的边界等离子及氢同位素的滞留进行预测模拟研究。

托卡马克是最有希望实现的可控核聚变装置，边界等离子体及其与器壁相互作用是托卡马克研究的一个重要领域，直接影响器壁的寿命及装置的安全运行。本项目主要针对聚变装置边界等离子体输运、对偏滤器靶板的侵蚀及氢同位素在壁材料中的滞留进行模拟研究。 使用自主开发的HIIPC程序针对EAST装置托卡马克实验参数，模拟研究了不同模式，氢同位素在钨靶板中滞留量的时间变化和深度分布，ELMy离子诱导缺陷增加，滞留量明显增大。开发HIIPC-bubble程序和分子动力学程序，模拟研究氢同位素在钨材料中滞留、气泡生长及破裂过程，当气泡生长到钨材料表面时发生破裂，大量氘分子和钨原子被释放，对托卡马克稳定运行产生严重的影响。开发二维氢同位素滞留程序HIIPC2D，耦合动力学粒子模拟程序EPPIC2D，模拟研究了氢同位素在偏滤器瓦片缝隙中的滞留分布，由于缝隙的特殊结构，离子能进入缝隙较浅位置，偏滤器瓦片缝隙能够增加氢同位素的滞留量。使用自主开发的粒子模拟程序SDPIC，模拟研究了EAST装置上ELMs时等离子体输运、粒子轰击靶板能量、入射角度、流量等，计算碳和钨材料靶板上的能流沉积和侵蚀速率时间变化；耦合杂质输运程序ITCD，模拟研究了侵蚀出的碳和钨杂质输运和沉积等物理过程。用二维动力学粒子模拟程序EPPIC 模拟杂质离子对钨瓦片缝隙结构的侵蚀，表明杂质电荷相同原子序数越大，或同种杂质所带电荷数越大，侵蚀速率越大。侵蚀速率峰值位于迎着等离子体的瓦片侧面，距离瓦片表面附近。使用SOLPS5模拟研究了EAST内外靶板不对称性，表明放电状态影响漂移引起偏滤器内外不对称性，在高循环状态下，漂移能够引起明显不对称性，相反在低循环状态下，偏滤器内外不对称性不明显。SOLPS5模拟充气脱靶过程，漂移同样对杂质的输运产生明显的影响，使得杂质在部分区域过度积累，杂质容易进入芯部区域，引起在芯部区域能量辐射损失增大。